常见问题
什么是锁相放大器?

         锁相放大器是用于微弱信号检测的装置,微弱信号常淹没在各种噪声中,锁相放大器可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量。锁相放大器是基于互相干方法的微弱信号检测手段,其核心是相敏检测技术,利用与待测信号有相同频率和固定相位关系的参考信号作为基准,滤掉与其频率不同的噪声,从而提取出有用信号成分。
         对微弱信号的最基本处理是放大,传统的放大处理在放大信号的同时,也放大了噪声,而且在不进行带限或滤波处理的情况下,任何放大操作都将使得信号信噪比下降。因此,必须先采用滤波手段提纯信号,提高信噪比,以实现对微弱信号的准确测量。
         假设要放大的信号是一个 10 nV,10 kHZ正弦波信号,好的低噪声放大器有大概5nV/√Hz的输入噪声。考虑下列情况:
         ①  放大器的带宽为 100 kHz,增益为1000,则放大后信号为 10 uV (10 nV x 1000),宽频噪音为 1.6 mV(5 nV/√Hz x √100 kHz x 1000)。没有办法测量到该输出信号。
         ②  在放大器后加一个理想的带通滤波器,其品质因子Q=100,中心频率在10 kHz,则所有在100 Hz(10 kHz/Q) 带宽内的信号都会被检测到。此时输出信号仍为10 uV,而滤波器通带内的噪声大小为50 uV (5 nV/√Hz x √100 Hz x 1000)。输出噪声仍比输出信号大很多,没办法进行测量。
         ③  在放大器后加一个相敏检测器(PSD)。PSD可在带宽仅为0.01 Hz的情况下检测到10 kHz的信号。在此带宽下,输出信号仍为10 uV,噪声只有0.5 uV (5 nV/√Hz x √.01 Hz x 1000)。
         信噪比为20,可以对信号进行准确的测量。


相敏检测器

         相敏检测器( PSD)相当于一个带宽极窄的带通滤波器,基本模块包含一个将输入信号与参考信号相乘的乘法模块和一个对相乘结果进行低通滤波的滤波器模块。有时 PSD 也特指乘法模块,不包含滤波器模块。如图 1 所示。

应用-相敏检波

         SI(t)是掺杂了噪声的时域输入信号, SR(t) 为与输入待测信号有固定频率关系的参考信号。PSD 结合待测信号通道和参考信号通道,即可以形成一路完整的锁相放大器功能架构,称为单相型锁相放大器。其结构原理图如图 2 所示。

应用-相敏检波2


         信号通道进入 PSD 模块的信号可定义为:  SI(t) = AI sin(wt+φ) + B(t)

         其中w是待测信号频率,  AI sin(wt+φ) 是待测信号, B(t)是总噪声。

         若参考信号通道输出的标准参考信号定义为: SR0(t) = AR sin(w0t + Θ)  

         两路信号同时输入 PSD 模块进行乘法操作,得到的输出为:

         Spsd0 = SI(t)SR0(t) = AIAR sin(wt + φ) sin(w0t + Θ) + B(t)AR sin(w0t + Θ)

                       = 0.5 AIAR cos([w - w0]t+φ - Θ) -0.5 AIAR cos([w + w0]t+φ + Θ)+ B(t)AR sin(w0t + Θ)

         常令w0= w,即参考信号与待测信号的频率相等,此时参考信号通道输出的标准参考信号为:

         SR(t) = AR sin(wt + Θ)       

         输出为: Spsd =SI(t)SR(t) = AIAR sin(wt + φ) sin(wt + Θ) + B(t)AR sin(wt + Θ) = 0.5 A

如何在windows通过USB连接锁放?

安装及使用说明

软件安装步骤:

         我们一般都是以光盘的形式把 PC 机软件提供给用户的,可在 Windows 7/8/8.1/10 32/64bit 系统上运行。

第一步:

         首先要安装串口转 USB 驱动,右键“以管理员身份运行”图 1 红色方框内的“FT232_drive.exe”文件,则会弹出如图2的软件窗口,见到以下界面时表示正在安装串口转 USB 的驱动,只需要等待几分钟即可。

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图1


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图2.FT232 driver 安装界面


第二步:

         若 FT232 驱动安装成功后,会出现如图 3的提示,此时只需要按照提示按下“回车”键 即可完成该驱动的安装:

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图3.FT232 driver 安装完成提示

 

         此时,使用 USB 线连接 PC 机和锁相放大器,则可自动识别连接成功。

注意:

         1.如果 PC 机已经联网,当插上 USB 连接 PC 与锁相放大器时,会自动联网搜索驱动并进 行安装。

         2.如果 PC 机已安装有串口转 USB 的驱动,则可跳过该步。

         3.如果安装不成功,则可根据“串口驱动”目录下的说明文件“readme.txt”里面的解决方法, 使用 inf 文件进行安装。


如何找到锁相放大器的版本号?

有三种方法可以找到锁相放大器的版本号信息。

1.锁相放大器:

         ① 锁相放大器仪器上电开机。

         ② 找到SYSTEM菜单

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         ③ 点击按钮进去二级菜单

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         界面显示研发单位,网址以及版本号等信息。

 

2.Windows 应用程序:

         ① 找到image应用程序。如果Windows 已经联网,当插上USB连接电脑和锁相放大器时,会自动联网下载搜索驱动并进行安装。如果需手动安装驱动,详见“如何在windows通过USB连接锁放”文章。

 

         ② 如图所示为界面中显示当前连接的部分:

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         当点击左边的连接按钮“连接”,软件会自动搜索串口资源,若电脑和锁相放大器连接成功,此时下方窗口会显示锁相放大器的版本号信息,如图所示

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         此时即可观察到当前锁相放大器的版本信息。

 

3.使用串口通讯显示版本信息:

         ① 每一款产品都会附赠资料光盘,里面有讲到产品的远程控制串口/USB2.0环境搭建以及调试操作。打开资料文件中的Uart_Assistant文件夹,双击UartAssist.exe应用程序,弹出软件界面如图所示:

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         该串口调试软件包含了通讯设置,接收区设置,发送区设置,接收区以及发送区。

         ② 当选择好串口端口设置好与锁相放大器相同的波特率之后,在发送区输入“*IDN?”以回车符结束,然后点击发送。*IDN?指令是返回产品的型号和固件版本。

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         如若有数据返回,则会在接受区显示产品的版本号。


锁相放大器系列如何选择?

         目前OE1022系列推出三款:OE1022这款为通用科研型,高精度,低噪声输入;OE1022E为教学型,外增加接口防护,误操作保护等,同时延长保修期限;OE1022D为OE1022的双通道输入版本,具有双路高精度低噪声信号检查以及双路高信噪比正弦信号输出。OE1021和OE1022系列是属于低频锁相放大器,而OE2031以及OE2041是属于中高频的锁相放大器。OE1022的参考频率最高可以做到102KHz,而OE2031及OE2041可以分别做到3MHz和60MHz。在测量较低频率的时候,例如2KHz,尽量选择低频的锁相放大器,这样信噪比更高。


被测信号的幅度如果变化很快,锁相放大器测量参数怎么设置?

         锁相放大器的时间常数及滤波器阶数是用来设置相敏检波器PSD输出信号经过的滤波器的带宽。被测信号的幅度变化快,则时间常数不能选择太长,如果最短的时间常数设置仍然不能满足要求,则需要考虑采用更高频的锁相放大器以及高频的参考信号。

锁相放大器能不能测量非正弦的周期信号?

         通常情况下,锁相放大器可以测量被调制正弦波的幅度及相位。周期信号本质上可以分解成基于某个频率的正弦波及其谐波, 锁相放大器可以测量对应的幅度及相位,从而再合成为原来的周期信号。 OE1022 锁相放大器可以同时测量基波与 2 个谐波信号,可以更为方便地测量对应的各个谐波分量, 从而加速整个测量过程。

电子系统中的噪声

         锁相放大器最基本功能就是在噪声环境中提取出目标信号,在所有的电子系统中,噪声都是无处不在的。根据噪声的起因可以大致分为两类,分别是系统的内部噪声(本征噪声)和外部环境噪声。从微观上讲,产生内部噪声的原因,是载流子的瞬时运动具有随机性,这种随机性会导致我们无法准确地预知未来任意时刻的瞬时值,即引入了系统噪声;对于外部噪声而言,系统外环境一些不可预知的干扰会引起系统内部的响应,从而引起系统的误差。从主观角度看的话,凡是不希望得到的亦或是有碍于准确测量结果的信号均可认为是噪声。虽然噪声具有瞬时值不可预知性的特点,但这样的随机性也并不是完全的杂乱无章,它们具有一定的统计规律。


一、电子系统常见噪声源

1.1 热噪声

         不论系统是否在工作状态下,热噪声都存在于任何电子系统中,即使系统没有上电,电子器件都会对外呈现出噪声特性。热噪声最早由J.B.Johnson于1928年发现,因此热噪声又被称为Johnson噪声。热噪声的噪声电压值可由以下公式计算给出:

Vnoise (rms)=(4kTR△f)^1/2 

         上式中, k为Boltzmann常数,其值为1.38×10-23J/K ; T为开尔文温度;R 为电阻的阻值,其单位为欧姆Ω;△f是测量设定的带宽。由上式可以看出,热噪声的功率谱密度函数与频率无关,当温度与阻值一定时,该功率谱密度函数即为一条直线,说明热噪声拥有白噪声的性质。


1.2 散弹噪声

         散弹噪声一般存在于PN结中,又被称为散粒噪声(Shot Noise),其微观机理为PN结中载流子随机发射与湮灭导致流过势垒的电流随机涨落。散弹噪声首先由W.Schottky于1918年在热阴极电子管的研究中发现,并从理论上证明了散弹噪声是一种白噪声。散弹噪声可以在电流测量中以噪声电流值的形式出现,由以下公式计算给出:

Inoise (rms)=(2qI△f)1/2 


         上式中, q为电子元电荷量,其值为1.62×10-19C;I 为PN结交流电流有效值或直流电流平均值 ;△f是测量设定的带宽。对于设定带宽很小的测量系统或环境而言,散弹噪声一般带来的影响较小,可以忽略。


1.3 噪声

         1/f噪声是于1925年在电子管电流中首次被Johnson发现的,对于阻值相同,材料不同的电阻元件而言,它们除了具有相同的热噪声,还有基于当两种导体接触不理想时,其接触电阻会随机涨落,从而引起的噪声,称之为1/f噪声。该噪声的突出特点是其功率谱密度反比与工作频率f,即频率越低,该噪声的影响越严重,其功率谱密度函数为:

Sf(f)=(KId2)/f(V2/Hz) 

         上式中, K为定值,具体数值与材料类型、接触面接触情况、几何形状等有关; Id为流过导体的平均直流电流,其单位为 A;f为工作频率。碳质电阻的1/f噪声典型值为0.1-0.3μVrms;金属薄膜电阻或绕线电阻的噪声值大概比碳质电阻小1个数量级。


1.4 电子系统内部总噪声

         以上介绍的电子系统内部噪声是相互独立的,如果从统计的角度描述电子系统内部总噪声,应对各独立噪声源有效值进行平方运算,累加后再进行开方,即可得到总噪声值。


二、外部噪声源

         除了上述的电子系统内部噪声,在实验中还会出现各种来自系统外环境的干扰。大部分外部噪声源在时域上与系统是异步关系的,从频域上看,这些噪声和系统中的参考源信号频率及参考源的各次谐波不存在相关性,这些噪声可能来自照明设备、制冷设备、电动机、收音机、电脑荧屏等等。消除以上噪声会提高实验过程对测量系统的动态储备以及时间常数的要求。

         一些外部噪声源可能与系统中的源信号存在同步性和相关性,当系统中引入了这些外部噪声,将造成目标信号的严重失真,如在目标信号幅值上产生起伏,并且此类失真无法通过频率相关的办法进行排除,即锁相放大器会把此部分噪声认为是源信号,导致测量出错。典型的同步噪声源来自于实验环境与检测仪器的入地电流设计问题。

         外部噪声源可以以多种方式耦合到源信号通路中。


2.1 容性耦合影响

         设想一个距离实验测量环境很近的交流电压信号,它可能会通过一个寄生电容耦合到测量环境中检测器所在通路。尽管寄生电容可能非常小,耦合后产生的噪声也可能比实验中的待测微弱信号大得多,尤其是耦合噪声与系统中源信号存在同步性和相关性时,会造成更大的影响,因为锁相放大器会将目标频率上的所有信号认为是源信号部分。假若交流电压信号是高频信号,也会使耦合噪声增益更加明显。

    应用-Noise


         我们可以通过以下计算估计噪声电流的大小:

i=Cstray dV/dt=ωCstray Vnoise 

上式中, ω为源信号频率对应的角速度;  Vnoise是噪声幅度; Cstray是寄生电容值。

         为了避免容性耦合噪声对系统带来的影响,在设计中应考虑以下几点:

         1) 对于确定的实验测量环境,评估可能带来影响的噪声源,对其进行关闭或移除。

         2) 尽量保证噪声源远离实验测量环境,减小寄生电容值,不能让信号通道和可能存在噪声的通道处于接近的位置。

         3) 当噪声源无法消除时,应设计测量微小阻抗器件端值电压的实验,代替直接测量电流的实验,因为噪声电流产生的电压一般较小。

         4) 将测量源与探测器放置于金属体中,产生隔离作用。

 

2.2 感性耦合影响

         设想一个距离实验测量环境很近的交流电流信号,它可能会通过磁场耦合到测量环境中。近场电流产生起伏时,将会引起磁场变化,由于距离过近,实验测量环境环路就会受到影响,因其磁通量发生改变。这种现象就像是噪声交流电流变化通过变压器耦合到后级电路中,而后级电路恰恰是实验测量环境环路。

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         为了避免感性耦合噪声对系统带来的影响,在设计中应考虑以下几点:

         1) 对于确定的实验测量环境,评估可能带来影响的噪声源,对其进行关闭或移除。

         2)使用双绞线或同轴电缆,减小实验测量环境环路面积,对于差分连接,必要时将两条同轴电缆进行绞合。

         3) 当噪声源无法消除时,应使用高阻抗的检测器测量环路中的电流,代替测量电压的实验。

         4) 设计磁场屏蔽,防止变化的磁场穿过实验测量环境环路。

 

2.3 阻性耦合及入地电流影响

         阻性耦合又称入地电流影响,在电流入地点相对于远处工作地间,通过阻性耦合产生电位差。

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         在本图中,探测器测得的信号中将会包含外部噪声引起的压差,其原因正是噪声源的正好跨接于实验测量环境的地工作点和探测器接地点,则噪声源的入地电流将会通过阻性耦合对实验测量产生误差影响。

         为了避免阻性耦合及入地电流对系统带来的影响,在设计中应考虑以下几点:

         1) 将所有元件的电位参考点接在同一物理点上,即统一所有工作地。

         2) 把地线设计得足够厚,以减少其阻性效应。

         3) 对于小信号部分,尽量避免出现大电流直接入地。

 

2.4 颤噪效应

         并非所有影响电子系统的噪声都是因电子而起,机械动作也会给电子系统带来影响,这种噪声引入即成为颤噪效应。比如在锁相放大测量中,实验环境包括线缆等发生的振动等物理变化,都将给测量结果带来电子噪声影响。

设想一根连接锁相放大器和探测器的同轴电缆,其电容大小可看做是电缆本身的物理性质的一种关系函数,而机械振动将会改变电缆的电容值,这种改变与振动的频率有关。由于电容可以写成:

Q =CV 

         

I=dQ/dt=C dV/dt+V dC/dt 

         可以看到机械振动时,上式中 dC/dt一项将会出现变化,电缆中的电流便会受到影响,探测器的信号以及测量结果便产生误差。

         为了避免阻性耦合及入地电流对系统带来的影响,在设计中应考虑以下几点:

         1) 尽可能消除实验中可能出现的机械振动,尤其是载有敏感性强的信号的电缆。

         2) 使用低噪声的电缆,降低颤噪效应带来的影响。

 

2.5 热电偶影响

         考虑不同的金属组成回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,回路中将产生一个电动势,这种效应称为热电效应,回路即为热电偶,热电动势可对微伏级别的电压信号产生缓慢变化的影响。由于实验测量环境和探测器的温度的缓变,这种噪声源在低频工作范围内,尤其是mHz范围内,是需要重点考虑并改善的问题点。
         一些优化热电偶影响的途径:

         1) 保证实验测量环境和探测器的温度不变。

         2) 进行冷接点补偿,即引入另一个热电偶,与第一个热电偶保持在相同的温度,但是其热电动势极性相反,则可对第一个热电动势进行补偿。


有没有什么测量情况不采用参考信号?

         如果已知被测信号的频率,可以直接设定锁相放大器的参考模式为内部参考模式,频率为指定频率,这样也可以测量;但是这种测量情况下,由于相位没有锁定,因此被测信号与内部参考频率及相位不能做到绝对的一致,可能会导致测量相位的不断变化。即便未知被测信号频率,但又确定频率也可以采用频谱分析的方法,或者锁相环的方法进行扫频跟踪,从而确定频率。

如何选择锁相放大器的内部参考模式与外部参考模式?

         对被测信号进行调整的信号源 ,如果是由锁相放大器的sinout或者TTL输出端提供,则采用内部参考信号模式,这种模式由于锁相放大器对直接可以获取参考信号的幅度及相位,测量精度更高。因此对被测信号的调制,要尽量采用锁相放大器自身提供的信号源,即内部参考模式。某些情况下,往往采用外部参考模式,例如光学斩波器对光学信号进行斩波调制,斩波器会提供一个同光学斩波同相位的方波信号输入给锁相放大器的参考信号输入端Ref in,锁相放大器会根据Ref in信号采用锁相环技术进行相位锁定,从而产生同频率同相位的正弦波信号以及提供给相位检波器PSD进行相关运算。

既然锁相放大器只能测交流信号的幅度及相位,而被测信号却往往是微弱的直流信号,怎么办?

         往往将被测信号进行调制,调制成正弦信号,一般都是调制器或斩波器将其变换成交流信号后,在输入给锁相放大器。

被测信号携带了哪些信息?锁相放大器能够测量信号的什么信息?

         输入信号往往携带待测交流信号和噪声,锁相放大器只能测量交流信号的幅度及相位值。

锁相放大器主要性能参数说明

         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


2.过载电平OVL(Overload)       

         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。

         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)


5.输出动态范围

         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。

         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)


6.OE1022动态储备DR(Dynamic Reserve)      

         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。

         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 120 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。

数字锁放相对模拟锁放的优势

         传统的锁相放大器通过一个模拟乘法器来实现PSD功能。但这种以模拟技术实现相干调制的方法存在诸多缺陷,会极大地限制相敏检波器的精度还会引入很多背景噪声。而数字式锁相放大器不会产生这种问题,并具有极高的性能,具体体现如下:
 

极佳的温度稳定

         数字锁相放大器除了前级,其相敏检测模块、低通滤波器、参考电路等没有温漂,其输出结果存在的偏差主要为数模转换以及位数精度导致。而模拟锁相放大器其PSD和低通滤波器、参考电路都有温漂,都会引入严重的误差,其输出结果与实际的结果存在一定的误差(即系统误差,并且这一系统误差往往带有不确定性)。
 

一流的噪声抑制能力

         数字锁相放大器不会由于算法计算而引入或者增加噪声,并且基本不受外界环境的干扰。反而用模拟电路搭建的PS、滤波器等受到使用电子器件的限制,而引入各种的背景噪声,另外环境的噪声也会耦合到模拟电路中,当背景噪声的幅值与信号相接近或是比信号更大时相干调制的结果就会出错。使得以模拟技术实现的相敏检波器的动态储备基本被限制在 60 dB 以下。数字实现的PSD模块可以达到90dB甚至更大的动态储备,如OE1022其动态储备高达120dB。
 

卓越的谐波抑制性能

         随着器件的发展,数字锁相放大器如OE1022的参考信号可以实现24bit甚至更高的位宽,相敏检测模块中,谐波分量的抑制实现-90db或更低的谐波分量的失真。除此之外,由于采用的滤波器为数字滤波器,不会由于运放等而引入部分的谐波失真。
 

低成本高性能低通数字滤波器

         数字滤波器除了上面所说的没有直流的偏置温漂等问题外,数字滤波器结构简单,易于调试、每单级滤波器不受前后滤波器的影响,所以其低通滤波器可以做得非常陡并可以自由选择,OE1022的滤波器分为6,12,18,24dB/oct,时间常数10us到3000s可选。而模拟滤波器由于器件特性不同、温漂等,其中心频率会跟着变化,器件之间又会相互影响,这给调试带来极大的不便,并肯定会引入部分的误差。
 

大容量的数字存储-实现超低频率的测量

         对于低频信号来说,一般的滤波器滤除其交流分量已经无能为力或者效果甚微,这时就需要用到同步滤波器,它相当于一个非常好的低通滤波器,做同周期内的数据的平均。只是对于低频信号来说,模拟实现好的同步滤波器需要增加庞大的外部电路,成本性能上都是一个不明智的选择,所以其低频信号测量通常不会太低。而数字滤波器通过其大容量,可以存储巨大的数据量,目前OE1022可以实现3000s的时间常数,1mHz的频率准确测量就赖于此。



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