新浪博客

锁相放大器的信号输入方式和应用领域

2017-11-03 16:07阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1366709655

锁相放大器通常有2中模式用来采集电压信号：单端输入（方便快捷）和差分输入（减少信号的错误拾取），低频锁相放大器还有电流信号的测量模式。

一、外观



图1 低频锁相放大器信号输入端口的外观

图2 BNC转BNC电缆
如图1和图2所示，、信号输入端口为BNC母头(Bayonet Nut Connector)，搭配配套的BNC转BNC电缆，即可建立由信号源到同轴电缆，由同轴电缆到锁相放大器输入端的可靠通路。
所谓可靠性，最重要的是把任何可能在测量系统中出现的噪声降至最低。环境中可能存在外部噪声源（如发动机、信号发生器等），它们的影响可以通过上述精心设计的同轴电缆与BNC接头降至最低。同样地，检测探头与锁相放大器之间的差分地问题也可籍此解决。

二、采集电压信号

锁相放大器通常有两种模式用来采集电压信号：单端输入，优点是较为便捷；差分输入，优点是有效减少信号的错误拾取。

1.1 模式1：单端输入（A）

信号线为中心电缆，地线为外环电缆。
锁相放大器仅检测输入端口A，并将其中心电缆与外环电缆的电位差设为输入信号。锁相放大器不会直接将外环电缆接地，而是串联某个内部电阻后连至锁相放大器的地。该电阻的值由用户选择，其中个别锁相放大器的选项Float 采用10kΩ，选项Ground采用10Ω（不同品牌的锁相放大器，浮地和接地的电阻值可能会有所不同。）。这个电阻用于消除实验装置与锁相放大器之间地电平不等所导致的接地回路问题，而缺陷是无法消除外环电缆引入的噪声。

1.2 模式2：差分输入（A-B）

信号线有两条，均为中心电缆。
锁相放大器将检测输入端口A与B的中心电缆的电压差并设为输入信号。外环电缆会拾取噪声，且本身不计入信号的采集过程，从而发挥保护中心电缆免受噪声干扰的关键作用。
使用差分输入模式时，需要注意尽量保证两条信号线等长且相互靠近，避免因电磁感应产生错误拾取。

三、采集电流信号（I）

电流输入模式，信号线为输入端口A的中心电缆。
设备将电流信号转换为电压信号并提供可选的增益。一般来说，当信号源的阻抗较高时（>1MΩ），信号电流较小，宜选择电流输入模式。本模式中，锁相放大器的输入阻抗很低，即电缆电容很小，既可以有效减小测量过程中的幅度及相位误差，又可以使电流档前级放大器的高频噪声增益降至最低。、

四、AC耦合与DC耦合

除了输入信号的模式以外，还须选择耦合方式，AC耦合或DC耦合。
AC耦合指信号通过截止频率为200Hz或者其他频率的高通滤波器，以滤去低频噪声及直流成分。若直流成分未被完全滤除，将会在参考频率处产生错误输出，后续的低通滤波器将之滤去时，导致系统的测量响应时间变长。
DC耦合指信号不通过上述滤波器直接输入。当信号的频率低于200Hz或其他频率时，应选择DC耦合，以获得正确的幅值。


注：不同品牌和不同规格的锁相放大器，截止频率会有所不同，可能是200Hz，也可能是2Hz或10kHz等。


锁相放大器的应用
锁相放大器的应用范围十分广泛，在温度检测、光电探测、生物信号探测、地质探测等领域均会用到锁相放大器。如下
为其基本应用介绍：

高精度光谱测量

高精度光谱测量
光谱测量原理图 (F:SSI OE3001光学斩波器)、G:光栅光谱仪、B:光电探头、D:镨铷玻璃样品、C:样品箱、E:溴钨灯光
源和H:计算机等。
溴钨灯发出的光源经过斩波器OE3001调制后，成为具有一定频率信息的光，通过光栅光谱仪后成为单色光。这一单色光
打在样品上，根据样品的的结构特点，它会吸收特定波长的光，然后打在探头B上转换为电信号，通过锁相放大器来检测这一微弱
的电信号。
TDLAS技术
可调谐二极管激光吸收光谱分析(TDLAS)技术是一种能够在工业应用中实现对气体组分浓度和温度场甚至速度场测量的检
测技术。TDLAS依据Beer-Lambert定律，当激光通过气体分子介质时，只要激光的波长与任何一种分子的能级跃迁相等，一部
分的光会被吸收。出射光强与入射光强的关系如下：
光强与入射光强
其中I0为介质单位长度的吸收系数；L为有效吸收长度；a(n)为单位体积内的分子数（即浓度）；s(n)为分子的吸收截面，是波长的高斯函数。经过频率调制后，且<<1时，上式写成：
TDLAS
由上式可看出分子对激光的吸收出现高阶吸收成分，在信号检测通路中采用锁相放大技术来实现调制信号的二次谐波检测，分别在1f、2f或3f频率处检相得到高斯函数的一阶、二阶或三阶导数。
TDLAS
在这个激光锁相系统中，最关键的部分是利用锁相放大器同时实现被测气体、参考气体的两路检测，甚至需要实现被测气
体、参考气体以及激光背景的三路检测。



太阳能电池量子效率检测
太阳能电池量子效率分两种。
外量子效率（EQE）：太阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表面的一定能量的光子数目之比。

内量子效率（IQE）：太阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表明的没有被太阳能电池反射回去的、没有
透过太阳能电池的一定能量的光子数目之比。
太阳能量子效率
太阳能电池量子效率检测系统包含了双通道锁相放大器、光学斩波器、单色器等设备。从单色仪出射的探测光分成两束，
一路转化成光电流输入到锁相放大器，作为对比；另一路照射太阳能电池，其产生的光电流被锁相放大器的另一通道测量。两个

通道测量之比，结合相关公式，便可以计算出太阳能电池的量子效率。

扫描隧道谱

扫描隧道谱
扫描隧道谱，即在样品表面的某个位置作I-V或dI/dV-V测试，得有特征峰的扫描隧道谱。在特征峰电压处，保持平均电流
不变，使针尖在X、Y平面扫描，测dI/dV随X、Y的变化，得扫描隧道谱象。表面的电子性质和化学性质表现在I-V和dI/dV-V谱
中。
扫描隧道IV

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳

APP专享