基于锁相放大器的微弱信号检测教学实验平台设计

王自鑫， 陈泽宁， 王健豪， 陈弟虎， 何振辉， 蔡志岗

(1. 中山大学 物理学国家级实验教学示范中心， 广东 广州 510275; 2. 中山大学 电子与信息工程学院，广东 广州 510275; 3. 中山大学 物理学院， 广东 广州 510275)

基于锁相放大器的微弱信号检测教学实验平台设计

王自鑫1，2， 陈泽宁2， 王健豪2， 陈弟虎2， 何振辉1,3， 蔡志岗1,3

(1. 中山大学 物理学国家级实验教学示范中心， 广东 广州 510275; 2. 中山大学 电子与信息工程学院，广东 广州 510275; 3. 中山大学 物理学院， 广东 广州 510275)

设计了基于数字锁相放大器OE1022型的微弱信号检测教学实验平台，覆盖了微弱信号检测领域的常用技术，可从教学的角度开展多项实验, 如强噪声检测弱信号实验、微弱信号多谐波测量实验、微小阻抗测量实验、自跟踪窄带滤波器实验、电阻热噪声测量实验，在教学过程中让学生熟悉、掌握锁相放大技术以及微弱信号检测原理。实验平台也提供了对OE1022自身进行内部噪声分析评估的方法。

微弱信号检测； 锁相放大器； 教学实验平台； 噪声测量

锁相放大技术用于检测淹没于强背景噪声的微弱信号[1-2],其核心是相敏检测技术,利用与待测信号同频、同相的参考信号为基准,滤掉不同频率的信号,提取出待测信号。锁相放大技术具有抗干扰能力强、大幅提高微弱信号检测信噪比等优点,数字锁相放大器因其动态范围大、时间稳定性强、器件温漂现象不明显、性价比高等特点,广泛应用于科学研究各个领域。

基于本中心自主研制的数字锁相[3]放大器OE1022型[4]或OE1201型[5]设计的微弱信号检测教学实验平台[6-7],覆盖微弱信号检测的常用技术,可开展多项教学实验,加深学生对锁相放大技术应用的理解与掌握。对于由大量电子器件组成的电子系统,在上电工作后将会产生一定的噪声,特别是工作在较低频段时,电阻、半导体等器件上将会产生幅度较大的1/f噪声(闪烁噪声)。对于幅度较小的直流信号或慢变信号,为了防止低频段的1/f噪声、工频频段背景噪声、直流放大可能产生的漂移等影响,锁相放大技术将待检测的输入信号调制到某高频频率,再进行放大,从而避开上述噪声的影响。在设计本教学平台时,对锁相放大器自身的噪声进行了检测和分析,并与国际上应用最广的STANFORDRESEARCHSYSTEMS生产的锁相放大器SR830[8]进行比对。

1 教学实验平台设计

基于数字锁相放大器OE1022型(原理框图见图1),根据技术原理和教学经验设计与其配套的微弱信号检测教学实验平台见图2。

图1 OE1022部分原理框图

图2 微弱信号检测教学实验平台

本教学实验平台由数字锁相放大器、示波器以及锁相放大器教学实验箱组成,其中实验箱按照模块化设计,包含箱内供电模块、信号输入输出接口以及多个实验模块等,实验平台总体框图见图3。在制作实物时,各模块集成在绘制了前面板示意图的装箱中,便于学生使用与理解。

箱内供电模块将市电进行转换,产生多路直流输出,以供给众多电子元件工作。信号输入输出接口是适配于OE1022的,这样设计的原因是各实验模块都需要信号输入输出,为降低实验复杂程度,不引入过多外围仪器,而统一采用OE1022自带波形发生器,包括SINEOUT正弦波发生器和TTLOUT方波发生器。各模块示意图及阻抗测量软件界面见图4。

可调幅值噪声源及信噪叠加模块是配合OE1022的正弦波发生器进行信噪叠加,构建强噪声背景检测弱信号实验模块[9]。设计中采用PN结反向击穿产生激增的散弹噪声,并加入噪声功率放大部分；还加入了正弦波衰减部分，进一步控制源信号的微弱程度。

图3 微弱信号检测教学实验平台总体框图

图4 各模块示意图及阻抗测量配套软件界面

纯电阻π型衰减网络[10]模块用于配合OE1022的方波发生器及多路谐波测量功能,构建微弱信号多谐波测量实验。方波含有高频成分,从信号完整性的角度分析,高频信号波长很短,如果在信号传输过程中出现阻抗不匹配,信号将发生反射,反射信号与原信号叠加将产生失真,故采用输入阻抗与OE1022输出阻抗相同的纯电阻π型衰减网络,能消除失真。

四线法[11]阻抗测量辅助模块可以通过在被测元件上形成的2个独立回路,分别测出被测元件两端的电压及电流,可计算出准确阻抗。此方法可以有效地消除测试引线的电阻及测试点的接触电阻影响。本模块还需要设计一个配套的测试夹,每一边夹嘴都有一条独立的连线与其相对应,从而确定所夹持的被测元件两端形成电压测试回路与电流测试回路。

自跟踪窄带滤波[12]模块采用有源滤波器芯片及数控电阻实现窄带滤波器的电路模块。有源滤波器芯片含有1个加法放大器和2个积分器,能同时有高通、低通、带通输出,内部集成运放,经过高通滤波和低通滤波后可实现对输入信号的带通滤波输出,其中带通滤波器的Q值及带通中心频率根据需要,配置反馈电阻即可确定。

2 实验项目

教学实验平台可进行的实验项目包括强噪声背景检测弱信号实验、微弱信号多谐波测量实验、微小阻抗测量实验、自跟踪窄带滤波器实验、电阻热噪声测量。本平台设计覆盖微弱信号检测的常用技术,通过实验让学生理解锁相放大技术提取信号的原理,掌握在强噪声客观环境中提取微弱信号的实验操作过程,在理论学习和实践中提高微弱信号检测处理能力。

2.1 强噪声背景检测弱信号实验

强噪声背景检测弱信号实验是本平台最基本的实验。在许多测试中,测量环境往往有很大的噪声,待测信号淹没在强噪声中,给测量工作带来困难。本实验使用μV级别的正弦波信号,淹没在幅值可调的白噪声中,体现客观测量环境,噪声幅值可达到目标信号的1 000倍甚至1万倍。本实验的主要目的是使学生理解锁相放大技术的基本原理及使用技能,掌握利用相关性原理提取深埋于强噪声中的微弱信号,通过与实际应用相结合,增强学生的动手能力。

在实验过程中,学生需进行以下实验内容:分别改变交流信号及噪声的幅值；进行叠加处理后获得不同输入信号；利用锁相放大器进行测量；学生需计算不同输入信号的信噪比,对锁相放大器测量值进行误差分析,以验证强噪声背景下的微弱信号检测结果。检测结果见表1，表1中v为信号有效值。

表1 强噪声背景检测μV级正弦波弱信号实验结果

2.2 微弱信号多谐波测量实验

对于目标谐波而言,高次谐波相当于“噪声”,故谐波测量本质上也是从噪声中提取目标信号的过程,学生借助本实验可以更加直观地了解方波的高频成分。

在实验中,学生需进行以下实验内容:调节衰减网络,控制锁相放大器TTL源信号幅值达到μV或nV等微弱级别；利用OE1022的多谐波测量功能,重新对信号进行多谐波分析；记录多次谐波测量值,与理论值相比对,分析测量误差。以峰峰值为500 μV的方波为例,按照理论计算其基波、三次谐波、五次谐波、七次谐波以及九次谐波的有效值应分别为225 μV、75 μV、45 μV、32 μV以及25 μV。表2为测量数据及结果。

表2 微弱信号多谐波测量结果

2.3 微小阻抗测量实验

在微小阻抗测量实验中,学生需进行以下实验内容:用测试夹夹持被测元件,用锁相放大器向测量模块输入交流信号,将模块输出信号输入回锁相放大器,结合锁相放大器和上位机进行数据读取；在数据处理方面,学生需要对配套的LabVIEW系统[13]进行相应配置,如选择待测元件、配置指定频率正弦波进行阻抗分析、配置频率表格进行阻抗扫频测量等,完成阻抗分析,并与标称值进行比对,分析测量误差。在1～100 kHz频率下对100 mΩ电阻、1 nF电容进行测量,并与Tonghui公司的LCR测试仪TH2826测量结果(比对值)进行比对,误差较小。测量数据及结果见表3。

表3 微小阻抗测量实验结果

2.4 自跟踪窄带滤波器实验

窄带滤波器在数字锁相系统中占有至关重要的地位,滤波器的实际性能制约了数字锁相系统的信噪改善比SNIR,自跟踪窄带滤波器的意义:一是提高数字量化信噪比,二是提高系统动态储备。

在本实验中,学生需进行以下实验内容:将信噪叠加后的信号输入自跟踪窄带滤波器模块,调节数控电阻以改变目标中心频率,提取待测信号后,再输入锁相放大器及示波器,可看到经过窄带带通滤波后的信号波形,分析窄带滤波器的信号提取能力,比对响应时间。

2.5 电阻热噪声测量实验

在实验中,学生需进行以下实验内容:将待测电阻(带BNC接口的100 kΩ金属电阻)和OE1022前面板输入接口相连,在上位机用配套LabVIEW程序记录数据并进行计算,与理论值进行比对,分析测量误差。学生也可以设置不同的锁相放大器内部参考频率,进行多次电阻热噪声测量,进一步验证热噪声及其功率谱具有与频率无关的性质。测量结果比对见表4。

表4 100 kΩ金属电阻热噪声测量结果比对

以上实验,也可以使用中心新研制的双通道数字锁相放大器OE1201型完成。

3 锁相放大器OE1022自身噪声测量及分析

在基于数字锁相放大器的微弱信号检测教学实验平台设计中,核心部分是数字锁相放大器OE1022,在所有教学实验中,OE1022既是输入信号源,又充当提取输出信号的角色,因此评估OE1022自身引入的噪声水平相当重要。对OE1022进行噪声测量分析,并与国际上应用最广的STANFORDRESEARCHSYSTEMS生产的锁相放大器SR830进行比对。设置OE1022的低通滤波器时间常数为1 s,滤波器陡降为24 dB/oct,这样设置使得滤波器的等效带宽ENBW=5/64,SR830也采用相同的参数和等效带宽设置。采集锁相放大器测量的X值,按照以下算法进行噪声电压及噪声功率谱计算:

(1) 每隔一个特定时间取一个测量值X值,并对此前所有X值取平均:

(2) 当采集到新的X值时,计算:

然后计算所有Dn的平均值Daverage_n；

(3) 计算出一定带宽(ENBW)内的噪声电压值:

(4) 噪声功率谱:

具体实验数据见表5和图5。

表5 OE1022与SR830内部噪声测量对比

图5 OE1022与SR830内部噪声功率谱测试对比

由图5(a)可以看到，测得曲线符合1/f噪声理论。锁相放大器内部含有各种各样的运放、电阻等电子器件,在正常上电条件下,其内部产生噪声应包含1/f噪声、热噪声等,且在低频段区1/f噪声远大于热噪声。实验中频率取值从0.1 Hz开始,此时OE1022的噪声电压值达到数十毫伏级别,噪声较大,而SR830的噪声电压值更高，高一个数量级。频率为1 Hz时,OE1022和SR830的噪声电压值下降均达到了2个数量级,这是由于1/f噪声因其与频率倒数成正比的特质迅速下降,而热噪声与频率无关,因此可以看到内部噪声呈下降的趋势。当频率在1 Hz以上时,噪声值变化很小,此时1/f噪声远小于热噪声,而热噪声作为随机噪声将产生波动,但其具有高斯分布性质的概率密度函数，其只在一定范围内涨落。测得数据显示1 Hz～100 kHz频段上OE1022和SR830噪声电压值在数百纳伏至数纳伏。

从图5观察：测得OE1022和SR830内部噪声变化趋势一致,在低频段(1 Hz以下)测得数据非常符合1/f噪声理论曲线,从对数曲线图可以看到线性度较好；当频率增大,内部噪声下降极快,在锁相放大器工作频率最大值100 kHz处为数纳伏级别；SR830在各频率下所测得噪声均比OE1022大。由以上分析可看出,锁相放大器在低频段存在噪声,且噪声主要成分符合1/f噪声理论,但是从1 Hz以上内部噪声有明显衰减,对实际微弱信号的提取和测量干扰较小。结合锁相放大技术中为了抑制低频段噪声对直流、慢变信号的影响,而先把待测信号调制到高频点进行放大和处理,用带通滤波器抑制宽带噪声、提高信噪比后重新解调到原频率,再进行低通滤波并放大的思想,从仪器以及技术上都可抑制各种噪声带来的干扰,实现对微弱信号的可靠测量。

4 结语

本文设计的微弱信号检测教学实验平台,旨在让学生熟悉、掌握锁相放大原理,及理解微弱信号检测处理技术。本教学实验平台展示的实验原理和测量方法,在实际工作环境中也可得到多种应用:比如强噪声背景检测弱信号原理可应用于光学镀膜厚度监控——监控系统收到的光电信号通常淹没于强大的噪声中,可通过锁相放大器对深埋在噪声中的微弱信号进行检测；微弱信号多谐波测量原理可用于可调谐二极管激光吸收光谱分析技术(TDLAS)——对气体组分浓度、温度场、速度场进行分析时,测量气体分子对激光的高阶吸收成分是测量过程的重点和难点,锁相放大器在测量微弱信号谐波时有极大的精度优越性；基于锁相放大器的设计,提出电阻热噪声测量,可进一步验证了热噪声与工作频率无关的性质,即其拥有白噪声的特性；对锁相放大器内部噪声的测量与分析,是对仪器自身引入噪声的一种评估手段。

References)

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[2] 孙志斌, 陈佳圭. 锁相放大器的新进展[J]. 物理, 2006, 35(10):879-884.

[3] 王萍, 郭翠双. 基于优化设计的新型锁相环及其虚拟实现[J]. 实验技术与管理, 2008, 25(4):93-96.

[4] 中大科仪.OE1022说明文档[EB/OL].[2016-06-25].http://www.ssi-instrument.com/uploads/product_file/OE1022_introduction_en.pdf.

[5] 中大科仪.OE1201说明文档[EB/OL].[2016-06-25].http://www.ssi-instrument.com/uploads/product_file/OE1201_introduction.pdf.

[6] 皇甫丽英, 陈雅琴. 通信电路综合实验平台研制与应用[J]. 实验技术与管理, 2012, 29(12):75-77.

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[8] StanfordResearchSystem[EB/OL].[2016-06-25].http://thinksrs.com/downloads/PDFs/Manuals/SR830m.pdf.

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[13] 王武礼, 杨华. 基于虚拟仪器技术的计算机测控实验平台[J]. 实验技术与管理, 2010,27(1):80-82.

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

广东省科技计划项目(2013B060100010);广东省自然科学基金项目(2015A030312011)

王自鑫(1976—)，男，湖南邵阳，博士，副教授，研究方向为数字信号处理和微弱信号检测.

E-mail：wangzix@mail.sysu.edu.cn

蔡志岗(1962—)，男，福建厦门，博士，教授，从事光信息技术研究.

E-mail：stsczg@mail.sysu.edu.com

TN911.23；G484

A

1002-4956(2017)2-0088-05