光电测量技术实验指导书版本

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1、光电测量技术实验指导书实验一锁相放大器的使用(验证性实验)［实验目的］1、了解锁相放人器的用途。2、了解锁相放大器的工作原理。3、了解锁相放大器的结构组成。［实验原理］锁相放人器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。由于被检测的信号很微弱，而噪声和干扰却很强，所以被检测的信号应进行放大和滤波处理，以滤除通带以外的噪声和干扰。参考信号的作用是提供一个与输入信号同频的方波或正弦波。相敏检波的作川是对输入信号和参考信号进行乘法运算，从而得到输入信号与参考信号的和频与差频信号。示续的低通滤波的作用

2、是滤除和频分量，这时的等效噪声带宽很窄，极强地抑制了输入噪声。设X(t)是伴有噪声的周期信号，即：X(t)二S(t)+N(t)=Asin(t+a)+N(t)其中，S(t)为有用信号，具幅值为A,角频率为3,初相角为a,N(t)为随机噪声。参考正弦信号为：Y(t)二Bsin(3t+B)其中，t是时间位移。则两者的相关函数为：Rxy(t)=lim丄1T—>

3、Bsin(er+0)[Asin(曲+a)+=——cos(cr+J3)+Rny(a)由于参考信号Y(t)与随机噪声N(t)互不相关，所以Rny(T)=0,于是就有:Rxy(t)=(

4、AB/2)cos(a+B)从而得出Rxy(t)正比于有用信号的幅值。山以上分析可知，在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器(LPF)。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器(LPF)滤除。如图1.1示。被测慨倍号sin（st+a）参照信号s泊M+B）乘法运算LPF彳氐通滤波器>cos(jB一cr)/2cos(0-a)/2-cos(2st+a+3)/2图1.1［锁相放大器的结构］■使用PSD（相敏检波器）作为乘法器。如前面所解说的那样，频

5、率变换是通过乘法运算來进行的。一般的乘法运算模拟电路,其线性程度和温度稳定性都存在问题。所以，在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换。由开关元件所进行的同步检波电路，称作PSD（相敏检波器,PhaseSensitiveDetector），这是组成锁相放大器的心脏部分（图1.2示）。PSDLPFlTLT图1.2采用方波作为参照信号，与参照信号同步使被测最信号的极性翻转，也就是在Xl/x（-l）这两者之间进行切换。■需要进行相位调节。如图1.3所示，PSD的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的札I位差，而产生很大的变化

6、。由此，低通滤波器（LPF）的输出信号（也就是锁相放大器测屋所得到的值）也会产生变化。相位差cr被测量倍号孑七^II••I■■・・■•till参照倍号・■IIipsd的输岀IiI••I•IIII•I••••II••Illi••II••••••+LPF的输出图1.3除了相位差为（）。之外，在其他状态下不能很好地测量被测信号的人小。这样，就需要把参照信号与被测虽信号Z间的相位差调节到0。，然后再输入到PSDo这个相位调节的电跖称作移相电路（PhaseShifter）（图1.4）,是锁相放大器屮必不可少的电路。PSDLPF输岀移相电路PhaseShi

7、fter图1.4上述的锁相放人器，称作「单相位锁相放人器」。为了能够正确地测量振幅和相位，需要有能够调节移相电路的「相位调节」部分。另外，如果将参照信号的相位移动90。，使用两个PSD,那么也可以组成不需要调节相位的「双相位锁相放大器」。［实验仪器］锁相放大器；示波器；函数信号发牛器;实验电阻；若T•连线。［实验步骤］1、连线实验中使用函数信号发生器给阻值分別为2MQ和200Q的串连电阻提供电压,然后把两电阻的分压分別作为参考信号和测量信号送入锁相放大器，其连线图为图1.502、量程设置检查连线无误后，首先打开锁相放大器电源开调制信号2MQ参考

8、佶号200Q测量信号图1.5关。把锁相放大器量设置为最大。然后打开函数信号发生器电源开关，把函数信号发生器的调制频率和电压分别设置为1kHz和lVo最后再改变锁相放大器的量程，在X读数盘的指针指到最人刻度2/3左右的位置时进行读数。读数计算锁相放大器的测量结果为测量信号的电压，它通过X表盘和Y表盘进行输出。其中Xout二U测cos(a-B)+VoFST,YouLU测Sin(a-B)+V虧丁;a和B分别为参考信号和测量信号的初相位,Vofst为偏移量(在本实验中近似为0)。因此%=(Xout2+Y0Ut2)1/2o分别测量lk,5k频率下IV,1

9、.5V,2.0V,2.5V,3V五个参考电压值的200Q电阻的10组电压值(参考信号)。4、数据处理计算出理论上200Q电阻的电压值，与测量结果进行比