1、数据采集同步滤波器在锁定放大器中的应用 摘要 ： 锁定放大器是用同步滤波器来代替相敏检测器，同步滤波器是基于信号采样的方法提供了一个极其窄的带通滤波器的特性，它的中心频率能够通过调整频率很容易的控制，因为滤波器比相敏检测器在谐波时有更小的响应，误差所引起的和声变得也很小，并且对滤波器的性能的要求也比较灵活。通过锁定放大器噪声中的微小信号能够准确的检测出来，而不像在传统锁定放大器需要通过繁琐的相位调整。 1引言 锁定放大器运用了相敏检测器和低通滤波器，不仅提供了对频率的高选择性，而且即使在中心频率，也有一个拒绝相外噪声性能。在测量相位和分布求积分中，相敏检 测是不可或缺的。当检测大量的某一频段的
2、信号时，它的性能使操作繁琐乏味，参数的变化使相位发生漂移，例如，一个滤波网络检测它的频率响应。对每一个参数都必须进行相位调整。在许多锁定放大器中相位灵敏调解器被设置是为模拟开关式相位检测器，它巨大动力范围，对被检测信号的奇和声产生响应，有害信号的初步滤波就能够避免误差。一个调谐滤波器，经常用来做为预滤波，然而相频检测依赖于通频带，在 PSD 输出信号的微小变化就会引起大量的误差。于 PSD 相比，新式的锁定放大器借助同步滤波应用了参考频率。这个滤波器所提供的定相频率选择性与一般 的锁定放大器一样高，除此之外滤波器对和声的响应也比 PSD 小得多。 2锁定放大器概述 它的结构分为两个部分；信号通
3、道，用来处理被测信号。参考通道，提供同步滤波器的驱动信号来调谐参考频率。参考通道能够同时工作在内部模式和外部模式，这和传统锁定放大器一样。下面就详细介绍它的工作性能。 （ 1）信号通道 信号通道主要由前置放大器，预滤波，同步滤波器升压放大器， RMS 检测器及指示器。前置放大器把输入信号增益达到 100 分贝。通过两个通道所形成的接地环路中差分输入，减少了噪声的生成。预滤波消除了信号的残留边带，有害通频带 ；它们是 5fc,7fc,等等。这些对频率的要求和传统锁定放大器的预滤波的衰减斜率对频率的要求是完全不同的，很容易解决预滤波的相位特性问题。当锁定放大器与外部参考信号一起工作时，预滤波必须被
4、省却或者通频带必须被展宽以免限制扫描范围。在这种情况下比起一般的锁定放大器，运用同步滤波来测量受噪声影响的微弱信号减少误差。 （ 2）参考通道 同步滤波需要 6 相位驱动信号。通过工作在 6fc 的时钟频率的 6-bit 环计算器，信号很容易被产生。在内部模式操作中，一个可变电压源 E，为航向控制振荡器提供控制电压产生时钟信号。环状计算器的两个输出让一个 R-S 重复设置产生方波信号。这个方波为后继同步滤波器提供了与信号通道相同频率的波形。和低通滤波器的边带限制相联系，同步滤波器只提取方波信号中的基波成分。正弦信号的获得以用来作为参考输出信号。信号通道中的低通滤波器和预滤波器的斩波是通过在电源
5、 E 和控制面板交汇处相同方法设置的。 参考通道的功能是为相敏检测器（ PSD）提供与被测信号相干的控制信号。参考通道由方波发生电路和移相电路组成 ,其作用是提供一个与输入信号同相的方波 ,调整移相电路使参考信号与 有用信号相位一致 ,从而信噪比改善为最佳 .参考输入可以是正弦波、方波、三角波、脉冲波或其他不规则形状的周期信号，其频率也是载波频率 w。，由触发电路将其变换成为规则的同步脉冲波。参考通道的输出 r(t)可以是正弦波，也可以是方波。为了防止 r(t)的幅度漂移影响锁定放大器的输出精度， r(t)最好采用方波开关信号，其正负半周之比为 1 1，在下节介绍锁定放大原理时我们分别以正弦波
6、和方波为例，来进行比较。 移相电路是参考通道的中心部件，它可以实现按级跳变的相移（ 90 ， 180 ， 360 ）和连续可调的相移（ 0 360 ）。移相电路可以是模拟门积分比较器，也可以用锁相环（ PLL）实现，或用集成化的数字式鉴相器、环路滤波和压控振荡器（ VCO）组成。 Lock-in amplifier using a sampled-datasynchronous filter YushiKomachi and Sueo Tanaka School of Science and Engineering, WasedaUniversity,Shinjuku-ku, Tokyo Re
7、ceived 13 December 1974, infinalform 9 June 1975 Abstract ： A lock-in amplifier is constructed using asynchronous filter instead of a phase sensitive detector.The synchronous filter based on a signal sampling methodoffers an extremely narrow bandpass characteristic whosecentre frequency can be easil
8、y controlled by its drivefrequency. Since the filter makes smaller responses forharmonics of the signal at the tuned frequency than a phasesensitive detector, the error due to the harmonics becomesless and required performances of a prefilter are relaxed. Bythis lock-in amplifier the magnitude of a
9、low-level signalaffected by noise can be measured accurately withoutannoying phase adjustments which are required in aconventional lock-in amplifier. 1 Introduction lock-in amplifier employing a phase sensitive detector (PSD)and following low-pass filter, offers not only a high frequencyselectivity
10、but also an out-of-phase rejection even for thesignals at the centre frequency (Cox 1953, Marton 1962,Danby 1970). The phase sensitive performance is indispensablein the measurements where an in-phase component and aquadrature one must be detected separately. When only themagnitude of a signal at a
11、certain frequency is to be measured,however, the performance makes the operation annoying andtedious. This is particularly true where variations of a parametergive rise to phase shifts, e.g. a filternetwork under test ofits frequency responses. Phase adjustments must be made foreach setting of the p
12、arameter.In most lock-in amplifiers the PSD is implemented withanalogue switches to achieve a large dynamic range, and so itresponds to odd harmonics of the signal to be detected. Thuspreliminary filtering of these unwanted signals is required toavoid the error due to them. Atuned filter, often used
13、 as theprefilter, has however a marked phase-frequency dependenceat the passband and can give a considerable error at the PSDoutput by slight deviation from the correct tuning.Instead of a PSD, the novel lock-in amplifier described hereemploys a synchronous filter which tunes to an appliedreference
14、frequency. The filter offers a phase insensitivefrequency selectivity as high as one obtained in usual lock-inamplifiers, and besides theresponses of the filter to theharmonics are much smaller than those of a PSD. plifier using 。 2 Description of the lock-in amplifier The configuration is divided into two portions； signalchannel where the signals to be
