锁相放大实验数据处理

锁相放大器实验报告摘要：本实验利用锁相放大器对信号中的噪声进行抑制并对其进行检测，了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成；掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。

通过实验学会锁相放大器的使用，掌握利用锁相放大器来观察信号输入信号通道前后的幅值以及波形情况，获得相位与电压、放大倍数与电压的关系，并且通过噪声的观察知道如何消除噪声。

关键词：锁相放大器，微弱信号放大，PSD输出波形，谐波响应引言：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。

微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。

它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。

锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。

它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。

锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的。

方法，将微弱信号从噪声中提取出来。

自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。

一、实验原理：1、噪声在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。

这类信号检测的最终极限将取决于测量设备的噪声，这里所说的噪声是指干扰被测信号的随机涨落的电压或电流。

噪声的来源非常广泛复杂，有的来自测量时的周围环境，如50Hz市电的干扰，空间的各种电磁波，有的存在于测量仪器内部。

在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1／f噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动的涨落现象引起的。

从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。

2、相干检测及相敏检波器微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。

相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。

相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。

锁相放大实验预习报告物理072 陈焕07180217摘要：介绍了测量弱信号的一种实验仪器——锁相放大器，以及锁相放大器的基本工作原理，即利用相关检测原理；测量了利用锁相放大器测量弱信号时相关器的参数。

关键字：锁相放大器、相关检测、相关器的参数引言：测量微弱的变化时，先利用传感器将其转化为相应的电信号，然后对这些电信号进行放大，再记录和利用。

但有电信号十分微弱，而且在各种条件下的噪声和干扰很可能将这些微弱信号淹没，因此不能使用单纯的放大器。

解决这个问题的其中一种方法就是采用相关接收的原理，锁相放大器就是一种利用该原理的仪器。

锁相放大器的介绍：典型的锁相放大器由三部分组成：信号通道，参考通道，相关器。

a．信号通道：是相关器前的那一部分，包括低噪声前置放大器，输入电压器，各种功能的有源滤波器，主放大器等组成，作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声。

b．参考通道：作用是产生与被测信号同步的参考信号输出相关器，主要是触发电路、相移电路、方波形成电路和驱动信号组成。

c．相关器：这是锁相放大器的核心部分，包括乘法器、低通滤波器和直流放大电路。

相关器的介绍：相关器由相敏检波器与低通滤波器组成，是锁相放大器的核心部件。

锁相放大器中的相关器，由一个开关式乘法器与低通滤波器组成。

sin()A A V V t ωϕ=+41(sin sin 3......)3B R R V t t ωωπ=++ 相乘电路采用开关电路，参考电路B V 可以认为是以频率R ω的单位幅度方波。

A V 为输入信号，表示为sin()A A V V t ωϕ=+，当R ωω=为信号，R ωω≠时为噪声或干扰。

,A B V V 之间的相位差ϕ可以由锁相放大器参考通道的相移电路调节，12A V V V =∙0000,1,2.....12121t t R C An R V V e R n π--∞-==-+∑ 式中：12100tan [(21)]]n R Q n R C ωω--+=-+当R ωω=时，0012cos A R V V R ϕπ=-上式表明： 1、 输出不仅与待测信号的幅度A V 有关，也与两信号的相位差ϕ有关。

浙江师范大学实验报告实验名称锁相放大实验班级物理081班姓名王蓓学号08270112同组人翁先祥王聪叶品昭实验日期2010/10/19 室温气温锁相放大实验【摘要】弱信号的测量在当今物理实验中占着很大的地位。

其中锁相放大器是目前最常见的仪器，适用于对淹没在噪声背景中的正弦波或方波信号的检测。

通过本实验及相关知识的了解，了解相关检测原理，锁相放大器(LOOK-IN)的基本组成，掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。

【关键词】锁相放大器信噪比微小变化传感器放大信号噪声【正文】锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器。

锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频率（参数输入频率）的信号幅值，而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。

这样我们可以利用参考信号把有用信号从待测信号中分离出来。

锁相放大器主要有三大部分组成：信号通道、参考通道、相关器。

如下图所示：信号通道包括低噪声前置放大器、有源滤波器、主放大器，它的作用是把微弱信号放大到足以推动乘法器的工作电平，并兼顾抑制噪声的功能。

参考通道是指从参考信号输入到乘法器输入之前的部分，它的作用是产生于被测信号同步的参考信号，通常参考通道输出的是与被测信号同步的对称方波，用以驱动乘法器工作。

锁相放大器的频率变换是通过乘法运算来进行的。

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，Phase Sensitive Detector ），这是组成锁相放大器的心脏部分。

实际电路存在各种噪声会影响实验的精确度。

锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF ）的截止频率来确定的。

锁相放大器的基本原理是相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数1()f t 和2()f t 的相关函数定义为：121()lim()()2TTT R f t f t dtT ττ-→∞=-⎰它是度量一个随机过程在时间t 和t τ-两时刻线性相关的统计参数，如果1()f t 和2()f t 完全没有关系，则相关函数将是一个常数。

锁相放大器报告1. 引言锁相放大器（Lock-in Amplifier）是一种用于检测和放大微弱信号的仪器。

它的原理是利用参考信号与待测信号进行相位比较，并通过频率调制将待测信号转换成与参考信号频率相同的信号，从而实现信号的放大与解调。

锁相放大器在许多领域都有广泛的应用，例如光学测量、电子学实验、磁学、生物医学等。

本报告将重点介绍锁相放大器的原理、应用以及仪器的使用方法。

2. 原理锁相放大器的核心原理是相位敏感放大技术，它通过与参考信号进行相位比较，实现对待测信号的放大与解调。

具体原理可以分为以下几个步骤：1.信号混频：将待测信号与参考信号进行混频，产生一个电压与参考信号频率相同的交流信号。

2.低通滤波：对混频后的信号进行低通滤波，滤除高频噪声部分。

3.相位移动：通过改变参考信号的相位，实现对待测信号相位的调整。

相位调整后，待测信号与参考信号之间的相位差将被最小化。

4.放大器：对调整后的信号进行放大，增加信号的幅度。

5.解调器：将放大后的信号与参考信号进行相乘，得到待测信号的幅度信息。

锁相放大器将以上步骤组合在一起，能够对微弱信号进行高增益放大和高精度解调，从而提高信号的检测灵敏度和测量精度。

3. 应用锁相放大器在许多领域都有广泛的应用，下面将介绍几个典型的应用场景。

3.1 光学测量在光学测量中，锁相放大器常用于检测光能量、相位差、频率等参数。

例如在光学干涉仪中，通过锁相放大器可以对光的干涉信号进行放大和解调，从而实现对干涉信号的精确测量。

3.2 电子学实验锁相放大器在电子学实验中也有着广泛的应用，可以用于检测微弱信号、分析信号的谐波成分等。

例如在电阻、电容和电感测量中，锁相放大器可以消除噪声的影响，提高测量的精度。

3.3 生物医学在生物医学领域，锁相放大器被广泛应用于生物信号检测和分析。

例如在心电图检测中，锁相放大器可以提取出心电信号的有效部分，并抑制背景噪声干扰，从而实现对心电信号的准确分析和诊断。

锁相放大实验报告锁相放大实验报告摘要本实验利用锁相放大器对微弱信号中的噪声进行抑制并对其进行检测，了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成；掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。

通过实验学会锁相放大器的使用，掌握利用锁相放大器来观察信号输入信号通道前后的幅值以及波形情况，获得相位角与电压、放大倍数与电压的关系，并且通过噪声的观察知道如何消除噪声。

关键词锁相放大器，通道，噪声带宽，信噪比正文锁相放大器己成为现代科学技术中必不可少的常备仪器。

国内72年南京大学首先从事这方面的研究工作，1974年研制成了第一台实验室样机，继后物理所等单位相继进行了这一方面的研究工作，1978年才有了工厂生产产品。

现在测量毫微伏量级的信号已是可能。

锁相放大器在涉及到微弱信号检测的各个领域都已得到了广泛的应用。

一、实验原理简析锁相放大器就是用来检测淹没在噪声中的微弱交流信号。

本质上，锁相放大器是一个具有任意窄带宽的滤波器，其频率调谐到信号的频率，排除掉大多数不需要的噪声而只允许被测量信号通过。

除了滤波，锁相放大器也能够提供增益，锁相放大器可以从噪声中提取比噪声小1000倍甚至10000倍的信号，锁相放大器的信噪改善比特别高它可用于测量交流信号的幅度和相位。

有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极髙的灵敏度。

1.相关检测原理所谓相关就是指两个函数间有一定的关系，如果他们的乘积对时间求平均（积分）为零，则表明这两个函数不相关（彼此独立）；如不为零，则表明两者相关。

由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都是采用互相关检测原理。

如果）（ltf和）（2 tf为两个功率有限的信号，则可定义其相关函数为：TTldttftfTR）（）（2/llim21）（由于噪声的频率和相位都是随机量，它的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。

因而可以认为信号和噪声，噪声和噪声之间是互相独立，相关函数为零，通过推导，则：YTrsdttvtTR）（）（2/1 lim）（由此可知，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。

浙师大近代物理实验报告锁相放大实验任希 物理081 08180123摘要：本实验提供了能够测量微弱信号的方法，即利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带话处理，抑制噪声，实现了对信号的检测和跟踪。

实验中利用了锁相放大器对微弱信号中的噪生进行抑制并对其进行检测。

通过该实验提升了我们对实验仪器的掌握能力，为以后的实验提供帮助。

关键词： 弱信号的检测 锁定放大 互相关检测原理引言随着科学技术和生产的发展，需要测量许多物理量的微小变化，例如：微弱电压、电流、磁场的变化，微小温度的变化，微小的电感，微小的电容，微小的位移、振动等，通常我们测上述微小的变化，可以用传感器将其转化为相应的电信号，然后对这些电信号进行放大，再被我们显示和记录。

但由于这些微小的变化通过传感器转换的电信号十分微弱，各种条件下的噪声和干扰很可能将这些微弱信号淹没，因此单纯的使用放大器将其放大，而且由于放大器本生的噪声会将我们需要的信号淹没得更深。

锁相放大器就是用来检测淹没在噪声中的微弱交流信号。

本质上，锁相放大器是一个具有任意窄带宽的滤波器，其频率调谐到信号的频率，排除掉大多数不需要的噪声而只允许被测量信号通过。

除了滤波，锁相放大器也能够提供增益，例如：一个100nV 的信号可以被放大而产生一个10V 的信号，增益为108。

锁相放大器可以从噪声中提取比噪声小1000倍甚至10000倍的信号，锁相放大器的信噪改善比特别高它可用于测量交流信号的幅度和相位。

有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度。

实验原理相关检测原理，所谓相关就是指两个函数间有一定的关系，如果他们的乘积对时间求平均（积分）为零，则表明这两个函数不相关（彼此独立）；如不为零，则表明两者相关。

相关的概念，按两函数的关系又可分为自相关和互相关两种。

由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都是采用互相关检测原理。

如果)(1t f 和)(2τ-t f 为两个功率有限的信号，则可定义其相关函数为：lim 1/2()()12()T R T f t f t dt T l ττ=-⎰-→∞令：()()11()()()22()f t n t s t f t n t r t νν=+=+ 其中)(1t n 和)(2t n 分别代表于待测信号)(t s ν及参考信号)(t r ν混在一起的噪声。

锁相放大器实验报告BY陈群浙江师范大学实验报告实验名称锁相放大实验班级物理071姓名陈群学号07180116同组人刘懿钧实验日期09/12/1室温气温锁相放大实验摘要：锁相放大器(Lock-in amplifier, LIA)自问世以来，在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，它能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高，在科学研究的各个领域得到了广泛的应用。

它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。

因此，学生掌握锁相放大技术的原理与应用具有重要的意义。

关键词：锁相放大器微弱信号PSD信号引言：在进展一日千里的现代科技领域中，精密量测技术的发展对于近代工业有关键性的影响。

当我们研究的系统日趋庞大，交互作用复杂，但所欲了解的现象却越来越精细时，如何在一大堆讯号中获得我们真正想要的信息便成为一个重要的课题。

一般的线性放大器可以将微弱的电子讯号放大，但若我们所要的信号中伴随着噪声信号，则两者都会一起放大，亦即此伴随的噪声无法滤除。

尤其当噪声强度远大于所要的信号时，即必须藉助特殊的放大器以同时放大讯号并滤去噪声。

锁相放大器是一种能测量极微弱的连续周期性信号的仪器。

这些微弱信号可以小至数奈伏特(nV),其至隐藏在大它数千倍的噪声当中，亦能精确的测得。

连续周期性信号与噪声不同之处，在于前者具有固定的频率及相位，后者则杂乱无章。

锁相放大器便是利用所谓”相位灵墩侦测(phase-sensitive detection, PSD)”的技术以取得具有特定频率与相位的信号，而不同于此频率的噪声则被抑制下来，使输出讯号不受噪声影响。

实验方案：实验原理锁相放大器的基本结构如图所示，包括信号通道、参考通道、相敬检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)等。

信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敬检测器工作的平台，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敬检测的动态范圉。

数据处理在无噪声的条件小下测得的数据如下Te Vi/mV 50.5 56.1 64.0 72.6 79.30.1s Vo1/V 5.08 5.68 6.31 7.19 7.881s Vo2/V 5.12 5.73 6.29 7.18 7.1010s Vo3/V 5.01 5.65 6.32 7.10 7.61根据表格得到如下曲线，其中横坐标为输入电压mv,纵坐标为输出电压V,转换成同一单位后，斜率就为放大倍数.由上图可知，Vo1斜率为0.0730，即在0.1秒的时候，放大倍数为73.倍Vo2斜率为为0.0959，即在1s的时候，放大倍数为95.9.倍Vo3斜率为0.0895，即放大倍数为89.5倍。

以上方法倍数在不考虑误差的情况下，可以近似的看做相等。

综合可以得出在噪声为零的的条件下，放大倍数大约为86.5倍。

在噪声大小为149mv的条件下测得的数据如下Te Vi/mV 58.2 75.9 85.6 92.4 99.40.1s Vo1/V 5.92 7.67 8.38 9.32 10.021s Vo2/V 5.78 7.59 8.29 9.30 9.9710s Vo3/V 5.77 7.58 8.57 9.25 9.69根据表格得到如下曲线，其中横坐标为输入电压mv,纵坐标为输出电压V,转换成同一单位后，斜率就为放大倍数.由上图可知，Vo1斜率为0.0987，即在1秒的时候，放大倍数为98.7倍。

Vo2斜率为为0.1012，即在1s的时候，放大倍数为100.2倍。

Vo3斜率为0.0972，即放大倍数为92.7倍。

以上方法倍数在不考虑误差的情况下，综合可以得出在噪声为149mv的的条件下，放大倍数大约为99.8倍。

在噪声大小为253mv的条件小测得的数据如下Te Vi/mV 60.1 78.1 89.0 101.1 120.20.1s Vo1/V 5.92 7.90 9.02 10.16 11.461s Vo2/V 5.90 7.88 9.00 10.11 11.3010s Vo3/V 5.88 7.80 8.95 10.01 11.33根据表格得到如下曲线，其中横坐标为输入电压mv,纵坐标为输出电压V,转换成同一单位后，斜率就为放大倍数.由上图可知，Vo1斜率为0.0928，即在0.1秒的时候，放大倍数为92.8倍。