基于鎖相放大器的微弱信號檢測教學實驗平臺設計

王自鑫， 陳澤寧， 王健豪， 陳弟虎， 何振輝， 蔡志崗

(1. 中山大學 物理學國家級實驗教學示范中心， 廣東 廣州 510275; 2. 中山大學 電子與信息工程學院，廣東 廣州 510275; 3. 中山大學 物理學院， 廣東 廣州 510275)

基于鎖相放大器的微弱信號檢測教學實驗平臺設計

王自鑫1，2， 陳澤寧2， 王健豪2， 陳弟虎2， 何振輝1,3， 蔡志崗1,3

(1. 中山大學 物理學國家級實驗教學示范中心， 廣東 廣州 510275; 2. 中山大學 電子與信息工程學院，廣東 廣州 510275; 3. 中山大學 物理學院， 廣東 廣州 510275)

設計了基于數字鎖相放大器OE1022型的微弱信號檢測教學實驗平臺，覆蓋了微弱信號檢測領域的常用技術，可從教學的角度開展多項實驗, 如強噪聲檢測弱信號實驗、微弱信號多諧波測量實驗、微小阻抗測量實驗、自跟蹤窄帶濾波器實驗、電阻熱噪聲測量實驗，在教學過程中讓學生熟悉、掌握鎖相放大技術以及微弱信號檢測原理。實驗平臺也提供了對OE1022自身進行內部噪聲分析評估的方法。

微弱信號檢測； 鎖相放大器； 教學實驗平臺； 噪聲測量

鎖相放大技術用于檢測淹沒于強背景噪聲的微弱信號[1-2],其核心是相敏檢測技術,利用與待測信號同頻、同相的參考信號為基準,濾掉不同頻率的信號,提取出待測信號。鎖相放大技術具有抗干擾能力強、大幅提高微弱信號檢測信噪比等優點,數字鎖相放大器因其動態范圍大、時間穩定性強、器件溫漂現象不明顯、性價比高等特點,廣泛應用于科學研究各個領域。

基于本中心自主研制的數字鎖相[3]放大器OE1022型[4]或OE1201型[5]設計的微弱信號檢測教學實驗平臺[6-7],覆蓋微弱信號檢測的常用技術,可開展多項教學實驗,加深學生對鎖相放大技術應用的理解與掌握。對于由大量電子器件組成的電子系統,在上電工作后將會產生一定的噪聲,特別是工作在較低頻段時,電阻、半導體等器件上將會產生幅度較大的1/f噪聲(閃爍噪聲)。對于幅度較小的直流信號或慢變信號,為了防止低頻段的1/f噪聲、工頻頻段背景噪聲、直流放大可能產生的漂移等影響,鎖相放大技術將待檢測的輸入信號調制到某高頻頻率,再進行放大,從而避開上述噪聲的影響。在設計本教學平臺時,對鎖相放大器自身的噪聲進行了檢測和分析,并與國際上應用最廣的STANFORDRESEARCHSYSTEMS生產的鎖相放大器SR830[8]進行比對。

1 教學實驗平臺設計

基于數字鎖相放大器OE1022型(原理框圖見圖1),根據技術原理和教學經驗設計與其配套的微弱信號檢測教學實驗平臺見圖2。

圖1 OE1022部分原理框圖

圖2 微弱信號檢測教學實驗平臺

本教學實驗平臺由數字鎖相放大器、示波器以及鎖相放大器教學實驗箱組成,其中實驗箱按照模塊化設計,包含箱內供電模塊、信號輸入輸出接口以及多個實驗模塊等,實驗平臺總體框圖見圖3。在制作實物時,各模塊集成在繪制了前面板示意圖的裝箱中,便于學生使用與理解。

箱內供電模塊將市電進行轉換,產生多路直流輸出,以供給眾多電子元件工作。信號輸入輸出接口是適配于OE1022的,這樣設計的原因是各實驗模塊都需要信號輸入輸出,為降低實驗復雜程度,不引入過多外圍儀器,而統一采用OE1022自帶波形發生器,包括SINEOUT正弦波發生器和TTLOUT方波發生器。各模塊示意圖及阻抗測量軟件界面見圖4。

可調幅值噪聲源及信噪疊加模塊是配合OE1022的正弦波發生器進行信噪疊加,構建強噪聲背景檢測弱信號實驗模塊[9]。設計中采用PN結反向擊穿產生激增的散彈噪聲,并加入噪聲功率放大部分；還加入了正弦波衰減部分，進一步控制源信號的微弱程度。

圖3 微弱信號檢測教學實驗平臺總體框圖

圖4 各模塊示意圖及阻抗測量配套軟件界面

純電阻π型衰減網絡[10]模塊用于配合OE1022的方波發生器及多路諧波測量功能,構建微弱信號多諧波測量實驗。方波含有高頻成分,從信號完整性的角度分析,高頻信號波長很短,如果在信號傳輸過程中出現阻抗不匹配,信號將發生反射,反射信號與原信號疊加將產生失真,故采用輸入阻抗與OE1022輸出阻抗相同的純電阻π型衰減網絡,能消除失真。

四線法[11]阻抗測量輔助模塊可以通過在被測元件上形成的2個獨立回路,分別測出被測元件兩端的電壓及電流,可計算出準確阻抗。此方法可以有效地消除測試引線的電阻及測試點的接觸電阻影響。本模塊還需要設計一個配套的測試夾,每一邊夾嘴都有一條獨立的連線與其相對應,從而確定所夾持的被測元件兩端形成電壓測試回路與電流測試回路。

自跟蹤窄帶濾波[12]模塊采用有源濾波器芯片及數控電阻實現窄帶濾波器的電路模塊。有源濾波器芯片含有1個加法放大器和2個積分器,能同時有高通、低通、帶通輸出,內部集成運放,經過高通濾波和低通濾波后可實現對輸入信號的帶通濾波輸出,其中帶通濾波器的Q值及帶通中心頻率根據需要,配置反饋電阻即可確定。

2 實驗項目

教學實驗平臺可進行的實驗項目包括強噪聲背景檢測弱信號實驗、微弱信號多諧波測量實驗、微小阻抗測量實驗、自跟蹤窄帶濾波器實驗、電阻熱噪聲測量。本平臺設計覆蓋微弱信號檢測的常用技術,通過實驗讓學生理解鎖相放大技術提取信號的原理,掌握在強噪聲客觀環境中提取微弱信號的實驗操作過程,在理論學習和實踐中提高微弱信號檢測處理能力。

2.1 強噪聲背景檢測弱信號實驗

強噪聲背景檢測弱信號實驗是本平臺最基本的實驗。在許多測試中,測量環境往往有很大的噪聲,待測信號淹沒在強噪聲中,給測量工作帶來困難。本實驗使用μV級別的正弦波信號,淹沒在幅值可調的白噪聲中,體現客觀測量環境,噪聲幅值可達到目標信號的1 000倍甚至1萬倍。本實驗的主要目的是使學生理解鎖相放大技術的基本原理及使用技能,掌握利用相關性原理提取深埋于強噪聲中的微弱信號,通過與實際應用相結合,增強學生的動手能力。

在實驗過程中,學生需進行以下實驗內容:分別改變交流信號及噪聲的幅值；進行疊加處理后獲得不同輸入信號；利用鎖相放大器進行測量；學生需計算不同輸入信號的信噪比,對鎖相放大器測量值進行誤差分析,以驗證強噪聲背景下的微弱信號檢測結果。檢測結果見表1，表1中v為信號有效值。

表1 強噪聲背景檢測μV級正弦波弱信號實驗結果

2.2 微弱信號多諧波測量實驗

對于目標諧波而言,高次諧波相當于“噪聲”,故諧波測量本質上也是從噪聲中提取目標信號的過程,學生借助本實驗可以更加直觀地了解方波的高頻成分。

在實驗中,學生需進行以下實驗內容:調節衰減網絡,控制鎖相放大器TTL源信號幅值達到μV或nV等微弱級別；利用OE1022的多諧波測量功能,重新對信號進行多諧波分析；記錄多次諧波測量值,與理論值相比對,分析測量誤差。以峰峰值為500 μV的方波為例,按照理論計算其基波、三次諧波、五次諧波、七次諧波以及九次諧波的有效值應分別為225 μV、75 μV、45 μV、32 μV以及25 μV。表2為測量數據及結果。

表2 微弱信號多諧波測量結果

2.3 微小阻抗測量實驗

在微小阻抗測量實驗中,學生需進行以下實驗內容:用測試夾夾持被測元件,用鎖相放大器向測量模塊輸入交流信號,將模塊輸出信號輸入回鎖相放大器,結合鎖相放大器和上位機進行數據讀??；在數據處理方面,學生需要對配套的LabVIEW系統[13]進行相應配置,如選擇待測元件、配置指定頻率正弦波進行阻抗分析、配置頻率表格進行阻抗掃頻測量等,完成阻抗分析,并與標稱值進行比對,分析測量誤差。在1～100 kHz頻率下對100 mΩ電阻、1 nF電容進行測量,并與Tonghui公司的LCR測試儀TH2826測量結果(比對值)進行比對,誤差較小。測量數據及結果見表3。

表3 微小阻抗測量實驗結果

2.4 自跟蹤窄帶濾波器實驗

窄帶濾波器在數字鎖相系統中占有至關重要的地位,濾波器的實際性能制約了數字鎖相系統的信噪改善比SNIR,自跟蹤窄帶濾波器的意義:一是提高數字量化信噪比,二是提高系統動態儲備。

在本實驗中,學生需進行以下實驗內容:將信噪疊加后的信號輸入自跟蹤窄帶濾波器模塊,調節數控電阻以改變目標中心頻率,提取待測信號后,再輸入鎖相放大器及示波器,可看到經過窄帶帶通濾波后的信號波形,分析窄帶濾波器的信號提取能力,比對響應時間。

2.5 電阻熱噪聲測量實驗

在實驗中,學生需進行以下實驗內容:將待測電阻(帶BNC接口的100 kΩ金屬電阻)和OE1022前面板輸入接口相連,在上位機用配套LabVIEW程序記錄數據并進行計算,與理論值進行比對,分析測量誤差。學生也可以設置不同的鎖相放大器內部參考頻率,進行多次電阻熱噪聲測量,進一步驗證熱噪聲及其功率譜具有與頻率無關的性質。測量結果比對見表4。

表4 100 kΩ金屬電阻熱噪聲測量結果比對

以上實驗,也可以使用中心新研制的雙通道數字鎖相放大器OE1201型完成。

3 鎖相放大器OE1022自身噪聲測量及分析

在基于數字鎖相放大器的微弱信號檢測教學實驗平臺設計中,核心部分是數字鎖相放大器OE1022,在所有教學實驗中,OE1022既是輸入信號源,又充當提取輸出信號的角色,因此評估OE1022自身引入的噪聲水平相當重要。對OE1022進行噪聲測量分析,并與國際上應用最廣的STANFORDRESEARCHSYSTEMS生產的鎖相放大器SR830進行比對。設置OE1022的低通濾波器時間常數為1 s,濾波器陡降為24 dB/oct,這樣設置使得濾波器的等效帶寬ENBW=5/64,SR830也采用相同的參數和等效帶寬設置。采集鎖相放大器測量的X值,按照以下算法進行噪聲電壓及噪聲功率譜計算:

(1) 每隔一個特定時間取一個測量值X值,并對此前所有X值取平均:

(2) 當采集到新的X值時,計算:

然后計算所有Dn的平均值Daverage_n；

(3) 計算出一定帶寬(ENBW)內的噪聲電壓值:

(4) 噪聲功率譜:

具體實驗數據見表5和圖5。

表5 OE1022與SR830內部噪聲測量對比

圖5 OE1022與SR830內部噪聲功率譜測試對比

由圖5(a)可以看到，測得曲線符合1/f噪聲理論。鎖相放大器內部含有各種各樣的運放、電阻等電子器件,在正常上電條件下,其內部產生噪聲應包含1/f噪聲、熱噪聲等,且在低頻段區1/f噪聲遠大于熱噪聲。實驗中頻率取值從0.1 Hz開始,此時OE1022的噪聲電壓值達到數十毫伏級別,噪聲較大,而SR830的噪聲電壓值更高，高一個數量級。頻率為1 Hz時,OE1022和SR830的噪聲電壓值下降均達到了2個數量級,這是由于1/f噪聲因其與頻率倒數成正比的特質迅速下降,而熱噪聲與頻率無關,因此可以看到內部噪聲呈下降的趨勢。當頻率在1 Hz以上時,噪聲值變化很小,此時1/f噪聲遠小于熱噪聲,而熱噪聲作為隨機噪聲將產生波動,但其具有高斯分布性質的概率密度函數，其只在一定范圍內漲落。測得數據顯示1 Hz～100 kHz頻段上OE1022和SR830噪聲電壓值在數百納伏至數納伏。

從圖5觀察：測得OE1022和SR830內部噪聲變化趨勢一致,在低頻段(1 Hz以下)測得數據非常符合1/f噪聲理論曲線,從對數曲線圖可以看到線性度較好；當頻率增大,內部噪聲下降極快,在鎖相放大器工作頻率最大值100 kHz處為數納伏級別；SR830在各頻率下所測得噪聲均比OE1022大。由以上分析可看出,鎖相放大器在低頻段存在噪聲,且噪聲主要成分符合1/f噪聲理論,但是從1 Hz以上內部噪聲有明顯衰減,對實際微弱信號的提取和測量干擾較小。結合鎖相放大技術中為了抑制低頻段噪聲對直流、慢變信號的影響,而先把待測信號調制到高頻點進行放大和處理,用帶通濾波器抑制寬帶噪聲、提高信噪比后重新解調到原頻率,再進行低通濾波并放大的思想,從儀器以及技術上都可抑制各種噪聲帶來的干擾,實現對微弱信號的可靠測量。

4 結語

本文設計的微弱信號檢測教學實驗平臺,旨在讓學生熟悉、掌握鎖相放大原理,及理解微弱信號檢測處理技術。本教學實驗平臺展示的實驗原理和測量方法,在實際工作環境中也可得到多種應用:比如強噪聲背景檢測弱信號原理可應用于光學鍍膜厚度監控——監控系統收到的光電信號通常淹沒于強大的噪聲中,可通過鎖相放大器對深埋在噪聲中的微弱信號進行檢測；微弱信號多諧波測量原理可用于可調諧二極管激光吸收光譜分析技術(TDLAS)——對氣體組分濃度、溫度場、速度場進行分析時,測量氣體分子對激光的高階吸收成分是測量過程的重點和難點,鎖相放大器在測量微弱信號諧波時有極大的精度優越性；基于鎖相放大器的設計,提出電阻熱噪聲測量,可進一步驗證了熱噪聲與工作頻率無關的性質,即其擁有白噪聲的特性；對鎖相放大器內部噪聲的測量與分析,是對儀器自身引入噪聲的一種評估手段。

References)

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[3] 王萍, 郭翠雙. 基于優化設計的新型鎖相環及其虛擬實現[J]. 實驗技術與管理, 2008, 25(4):93-96.

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Design of teaching experimental platform for weak signal detection based on lock-in amplifier

Wang Zixin1,2, Chen Zening2, Wang Jianhao2, Chen Dihu2, He Zhenhui1,3, Cai Zhigang1,3

(1. National Experimental Teaching Demonstration Center for Physics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China; 2. School of Electronics and Information Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China; 3. School of Physics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

The teaching experimental platform for weak signal detection based on OE1022 digital lock-in amplifier is designed, covering the common technology in the field of weak signal detection. A number of experiments can be carried out from the perspective of teaching such as detection experiment of weak signal under strong noise, the measurement experiment of weak signal multi harmonic wave, the measurement experiment of micro impedance, the experiment of self-tracking narrow-band filter, and the measurement experiment of resistance thermal noise. During the teaching process, it can help the students to be familiar with and master the technology of the lock-in amplifier and the principle of weak signal detection. This experimental platform also provides the method of analysis and evaluation for OE1022 own internal noise.

weak signal detection； lock-in amplifier; teaching experimental platform; noise measurement

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.024

2016-07-01

廣東省科技計劃項目(2013B060100010);廣東省自然科學基金項目(2015A030312011)

王自鑫(1976—)，男，湖南邵陽，博士，副教授，研究方向為數字信號處理和微弱信號檢測.

E-mail：wangzix@mail.sysu.edu.cn

蔡志崗(1962—)，男，福建廈門，博士，教授，從事光信息技術研究.

E-mail：stsczg@mail.sysu.edu.com

TN911.23；G484

A

1002-4956(2017)2-0088-05