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OE2041

30MHz高频数字锁相放大器

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主要特性


  • 10mHz至30MHz测量范围
  • 高性能的信号发生器
  • 满量程灵敏度1nV至1V
  • 时间常数为3us至3ks
  • 大于80dB的动态储备
  • 相位/幅值自动调节
概览
OE2041数字锁相放大器是目前最新款的核心技术产品,是一款高性能、高性价比的微弱信号检测仪器。基于高速的数字调制、可调输出滤波器以及高精度数模转换器(ADC),采用FPGA+ARM平台架构,能够精确、快速测量出淹没在大噪声中的有效信号分量以及其相位信息。而且,OE2041锁相放大器在测量精度、工作频率范围、信噪比、动态储备等核心参数方面,均与国际同行业的 顶尖技术相媲美。
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输入信号通道

        锁相放大器OE2041中所采用的低噪声模拟前端放大器能够有效地处理单端信号或者差分信号,其等效输入噪声为6nV/√Hz@100kHz。本通道的输入阻抗50Ω或10MΩ,在满量程输出时能够检测到的输入信号电平为1nV至1V。此外,OE2041能够应用于输入电流信号的测量,其前端可变电流增益为106V/A。OE2041设计了两个陷波器(中心频率为50/60Hz和100/120Hz)以限制工频干扰的影响。OE2041的动态范围可以达到80dB以上,其可以根据输入信号的幅度来调节内部的可编程的增益放大器以改变整个系统的动态储备。高精度的14位ADC的采样率为98.75MSPS,在ADC前面的抗混叠滤波器能够有效地防止信号混叠。

参考信号通道

        OE2041数字锁相放大器的参考信号可根据用户的实际情况来选择正弦波信号或者是方波信号,同时也可以利用仪器内部数字合成的参考信号。当OE2041设定为内部参考信号模式时,仪器内部的高精度振荡器和数字合成算法能够产生用于和输入信号相乘的正弦波信号,此时的内部参考信号几乎不会受到相位噪声的影响。利用数字移相技术,内部参考信号的相位能够达到0.01°的分辨率精度。本仪器的内部参考信号模式能够在10mHz至30 MHz的频率范围内正常工作。此外OE2041也能够使用外部参考信号模式,正弦波信号和TTL逻辑电平可作为外部参考信号。外部参考信号的上升沿或者下降沿会触发内部的锁相环(PLL)。基于参考信号的频率,OE2041可以对信号谐波进行检测,其所能检测到的最大谐波信号频率是基频的32767倍,但最大谐波频率不能超过仪器的最高测量频率30 MHz。

数字调制器和输出滤波器

        OE2041的核心部件是调制器。相比于模拟的信号乘法器,这款仪器内部的数字调制器能够有效地遏制直流偏移和失调所带来的潜在测量误差。同时,通过优化该数字调制器内部相干信号的乘法运算,使得其计算误差为最小,保证仪器能够精确的检测出输入的微弱信号。OE2041的时间常数可以设定在3μs至3ks之间。输出低通滤波器的滚降速率可设定为6、12、18、24、32和36 dB/octave。这款低通数字滤波器是利用无限脉冲响应(IIR)滤波器结构实现的,其信号处理的采样率为98.75 MHz。OE2041采用的数字调制方法和滤波器结构,保证其相对于模拟锁相放大器来说拥有更高的动态储备(>80dB)、精确的相位(绝对相位误差<1°)、零直流漂移和良好的正交性。此外,在输入信号的频率低于200 Hz时,OE2041可以开启同步滤波器来消除参考信号的谐波影响,保证仪器能够快速的检测出有效的低频信号。

振荡器
       
锁相放大器OE2041内部振荡器能够给仪器提供低失真度(–80dBc)的参考信号。单一正弦波参考信号的频率可以从10mHz变化至30mHz,同时所产生的参考信号的频率分辨率能够达到0.1mHz。利用OE2041的前面板或者计算机通信,能够设定内部振荡器所产生的参考信号的频率和振幅。而当仪器选用外部参考信号模式时,内部振荡器产生的信号与外部参考信号保持相位锁定的关系。

信号发生器
     
  基于14位的数模转换器(DAC),OE2041能够产生频率范围在10mHz到30MHz之内的正弦波信号,其信号频率与仪器内部的振荡器有关,可以通过仪器的控制目录能够设定仪器所产生的正弦信号的幅值。OE2041的信号发生器所能产生的正弦波信号的最大幅值为1Vrms,分辨率为1mVrms。

显示功能
     
  OE2041选用的是5.6英寸的640×480分辨率的TFT彩色屏作为仪器的主显示屏。本款锁相放大器所能够检测到的数据,例如:信号的X值、Y值、R值、θ值,可以同时以数值和条形图来显示。

      同时OE2041也可以选择显示时间-幅值关系的XY坐标图,显示测量值得曲线图形,并可通过旋钮控制Cursor来查看采样点的数值大小。


        此外,OE2041还能够利用极坐标显示出输入待测信号的同相分量和正交分量所组成的矢量。所有的显示方式可以简单地通过人工操作来进行显示比例的调整,同时仪器所具备的自动调整功能也可以快速优化仪器的显示方式。OE2041的显示屏可以被设定为单一方框的整屏显示模式或者是两个分离的水平方框的显示模式。


人工操作
       
在显示测试数据的同时,TFT液晶屏也是用来显示仪器的控制目录的。结合仪器的主屏幕周围的软键和仪器前面板上的数值键盘,用户能够有效地调整仪器的工作参数,例如:输入信号测量模式、参考方式、内部振荡器的频率、正弦信号输出幅值、以及界面显示方式等。

自动功能
       
 数字锁相放大器OE2041可以自动调节仪器的工作参数以获取针对不同的输入信号而需要的最优测量模式。使用仪器的控制目录中独立的不同按键,用户可以合理地调节仪器整体的增益、内部参考信号的相位、动态储备和仪器的显示比例。基于自动调节功能,仪器能够自动简易地测量出输入的待测信号。

PC软件操作
     
 OE2041采用的内部RS232转USB接口,可以设置仪器的全部功能,保证用户能够在控制计算机上有效地使用OE2041的所有测试功能,包括设定仪器的合理控制参数和读取仪器所测的数据。同时,为了使用户能更加方便的使用各种功能,本款仪器配备有对应的LabVIEW程序,可以实时读取保存所测得的数据。这使得OE2041能够简单地应用于复杂的科学实验当中。


输入信号通道
电压输入模式            单端输入或差分输入
满量程灵敏度            1nV至1 V 以1-2-5步进递增
电流输入增益            106  V/A
输入阻抗
        电压输入      50Ω或10MΩ//25pF,直流耦合或交流耦合
        电流输入      1kΩ至虚地端
共模抑制比              >80 dB(在10 kHz以内,之后以6dB/oct递减       
动态储备              >80dB
增益精度              典型值为0.5%,最大值为2%
噪声性能              
        100 kHz时        6nV/√Hz(电压)

0.13pA/√Hz (电流)
        100 Hz时      0.013pA/√Hz(电流)
参考信号通道
输入信号  
        频率范围      10mHz至30MHz
        输入信号类型    TTL逻辑电平或正弦波
        输入阻抗      1MΩ//25pF
相位
        分辨率        0.01°
        绝对相位误差    <1°
        相对相位误差    <0.01°
正交性
        内部参考      综合,在1kHz时<0.0001°rms
        外部参考      在1kHz时:0.005°rms(时间常数为100 ms,12 dB/oct)
谐波检测              2F,3F,...nF至3MHz(n<32767)
采集时间
        内部参考      即时获取
        外部参考      (2个周期 + 5ms)或40ms
解调器
稳定性      
        数字输出      所有设置均无零点漂移
        显示          所有设置均无零点漂移
        模拟输出      所有动态储备设置<5ppm/℃
谐波抑制               -90 dB
时间常数              3us至3ks (<200Hz)

3us至30s (>200Hz)

(6、12、18、24dB/oct陡降)
同步滤波器              低于200Hz且18、24dB/oct陡降有效
显  示
显示屏                5.6 英寸,640×480彩色TFT
显示类型              数值显示图、条形图、XY坐标和极坐标图
内部振荡器
频率
        范围          10mHz至30MHz
        精度          25ppm + 30MHz
        分辨率        1mHz
        失真度        -80dBc(f<10kHz),-70dBc(f>10kHz)
幅度                  0.01Vrms至1Vrms(分辨率1mVrms)
接  口
RS-232转USB            RS-232转USB接口控制和读取仪器参数及数据