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锁相放大器主要性能参数说明


锁相放大器满刻度输出时的输入电平FS的说明、过载电平OVL的说明、最小可测信号MDS的说明、输入总动态范围的说明、输出动态范围的说明、OE1022动态储备DR的说明。

       在微弱信号检测中,根据不同的具体情况,人们对性能的要求各不相同。例如在温度检测中,由于热效应通常会有迟滞,因而往往需要低频应用。而在射频领域的微弱信号检测,无疑需要设备能够响应高速变化的信号。在生物检测实验中,信噪比一般较低,此时对设备的要求往往集中在其信号提取能力。在光学应用中,通常又需要检测微弱电流信号,这又需要设备具有电流放大能力。总之,对锁相放大器的要求是多方面的,人们为了统一起见,将锁相放大器的主要性能参数进行总结浓缩。

1.满刻度输出时的输入电平FS(Full Scale Input Level)

       FS有时也称为满刻度灵敏度(Full Scale Sensitivity),它是用来表征锁相放大器测量灵敏度的,拥有电压的量纲,与系统的总增益有关,如下式:

               

FS=OUTmax/Atotal


       其中,OUTmax 表示输出满刻度值,例如10V;Atotal 表示系统的总增益能力,例如 107;那么,该系统的FS即为1uV。FS实际上标称了系统的放大能力。
       这里需要说明的是,“输出”指的是锁相放大器对于所测得的有用信号的一种表示,这种表示一般是输入信号的有效值,有时为了应用的需要,输出也可能是测得有用信号的有效值经过可控的调整而得到的。OE系列锁相放大器可直接输入1Vrms信号进行测量,其灵敏度从1nVrms-1Vrms按照1-2-5的顺序标定,可以方便用户对不同大小的信号的调整。

2.过载电平OVL(Overload)

       OVL定义为锁相放大器任一级出现过载或临界过载时的输入电平。因为微弱信号检测通常处理的是信噪比较低的输入,所以过载往往出现在噪声电压出现尖峰时。因此,可以将OVL理解为系统允许的最大输入噪声电压电平,即系统的最大噪声容限。
       应当指出,通常对应不同的增益设置,各级放大情况将有所不同,其过载电平也会有所不同,故在指明OVL时,应当附带指出其FS,这样才有意义。
       另外,FS作为最大输出时按照增益对应回输入端的电平,正常情况下可以理解为有用信号值,而OVL则是指的噪声容限,因此要求OVL必须远远大于FS,这样才能充分发挥锁相放大器从噪声中提取信号的能力。

3.最小可测信号MDS(Minimum Discernible Signal)

       定义为输出能辨识的最小输入信号,可以理解为系统对小信号的分辨率。影响MDS的主要因素有系统的内部噪声、温度漂移等,即结果会受到包括内部噪声、温度漂移的影响而产生波动,MDS定义为输出可以稳定在一定百分率波动下的最小输入。例如,输入100nV纯净信号,长时间监测发现,结果在10%误差以内可以达到稳定,而在仪器标称的温度范围内,如20℃~30℃,也能稳定在这个范围内。而且,当输入低于100nV 时,上述同样观测方法下不能达到该误差范围内的稳定,那么MDS即定义为100nV。值得指出的是,在国内,MDS通常按照时漂来定义,而在国外则通常严格按照时漂和温漂同时满足来定义MDS

4.输入总动态范围

       在给定FS的条件下(即给定的增益设置),锁定放大器的过载电平OVL与最小可测信号MDS比值的分贝数,即


输入总动态范围=20lg(OVL/MDS)(dB)


       上文已经介绍,OVL标称了锁相放大器的噪声容限,而MDS表明锁相放大器能够分辨的最小信号。因而输入总动态范围可以理解为锁相放大器从噪声中提取有用信号的能力,即分辨率越高,噪声容限越大,则输入总动态范围越大。OE1022的输入总动态范围>100dB,再其测量范内,对各种苛刻的噪声下,都能精准把信号给检测出来,普适于各种测试场所等。

5.输出动态范围

       该参数定义为满刻度灵敏度FS与最小可测信号MDS比值的分贝数,即


输出动态范围=20lg(FS/MDS)(dB)


       输出动态范围表示锁相放大器可以检测的有用输入信号的动态范围,即输入有效信号可以在该范围内波动而既不会导致锁相放大器不可分辨,也不会导致超过输出的最大范围。

6.OE1022动态储备DR(Dynamic Reserve)

       动态储备DR定义为过载电平OVL与满刻度输出时的输入电平FS比值的分贝数,如下式


DR=20lg(OVL/FS)(dB)


       其中OVL 表示输入总动态范围,FS 表示输出动态范围。若动态储备为 100 dB,表示系统能容忍的噪声可以比有用信号高出105倍。
       实际上动态储备容量应该保证整个实验过程中不发生过载,过载还可能出现在前置放大器的输入端和 DC 放大器的信号输出端,可以通过调整增益分配来实现高动态储备。前级放大倍数设置为较小值,以防止噪声过载,经过 PSD 和低通滤波器滤掉了大部分噪声后,直流放大倍数设置为较大值,将信号放大到满量程。
       锁相放大器输入信号在 PSD 处理之前需要交流放大,而在 PSD 处理之后是直流放大信号即可。在总增益不变的情况下,如果调整交流增益增加,直流增益减小,则输入噪声经交流放大很容易使 PSD 过载,动态储备减小,同时输出的直流漂移减小。反之,如果增加直流增益,降低交流增益,则动态储备提高,使锁相 放大器具有良好的抗干扰能力,但以输出稳定性为代价,降低了测量精度。
       直流放大输出精度受噪声的频率和幅值影响。幅值较大且与信号频率相同的噪声经过PSD 后同样变成直流信号,这样经过低通滤波器时直接输出,对输出结果造成影响。
       动态储备与噪声频率有关。在参考频率处的动态储备为 0,远离参考频率时动态储备增加,离参考频率足够远时,动态储备可达到最大值。参考频率附近的动态储备对仪器噪声容限极其重要,增加低通滤波器的级数可以提高滤波效果,从而增加参考频率附近的动态储备。远离参考频率的动态储备一般比较大,但一般其影响不大。
       OE1022 动态储备大于 100 dB,高的动态储备会产生输出噪声和漂移。当动态储备较高时,由于模数转换器的噪声存在导致输出误差增加。由于所有的信号源都存在本底噪声,固在 PSD 提取信号过程中就会掺杂着噪声,如果噪声很大,在高动态储备测量中就会产生较大的输出误差。如果外部噪声较小,则其输出主要是受 OE1022 自身噪声影响。这时可以通过降低动态储备和直流增益可以减小输出误差。因此,在实际应用中应尽量使用低动态储备。
       在确定的测量精度要求下,动态储备有最小值。精度要求越高,其最小值就越大。在模拟锁相放大器中,低动态储备意味着更小的输出误差和漂移。在 OE1022 数字锁放中,高动态储备不会增加输出误差和漂移,但是会增加输出噪声。然而,如果在 A/D 转换器前的模拟放大器增益足够大,则其被放大的自身噪声比 A/D 转换器的噪声还大。这样,输出主要受输入噪声影响。因此,增大模拟增益即减小动态储备并不能减小输出噪声。在分辨率要求极高的情况下,增益增大并不能提高信噪比,因此,这时可以降低增益从而提高动态储备。