基于数字锁相放大技术的强噪声背景下检测微弱信号教学实验

介绍了锁相放大技术在噪声背景下检测微弱交流信号的原理,研制出结合锁相放大器使用的微弱信号检测教学设备及其实验系统.利用OE1022型锁相放大器进行噪声中微弱交流信号测量实验,验证该系统功能.实验结果表明:使用该实验系统可以准确检测淹没在有效值比自身高104的白噪声中的微伏级交流信号.     

微弱信号检测讲座第七讲 信号平均

本讲座的第三讲介绍了锁相放大器利用相关检测原理实现对周期信号振幅的检测.然而,在实际的信号检测中,往往还希望从噪声中恢复信号的波形.它通常是一个很复杂的宽带函数.这时,利用锁相放大器已不再有效,需要借助其它微弱信号检测方法和仪器来恢复原始信号波形.假如被噪声混杂而变得模糊的信号是在已知时刻重复出现的,则可利用信号平均技术使它清晰地复现.BOXCAR平均器、数字多点平均器和数字BOXCAR平均器就是在此基础上发展起来的三种弱信号检测仪器. 一、恢复噪声中的信号波形 利用锁相放大器进行测量时,信噪比的改善等于输入噪声带…     

锁相放大器在光谱实验中的一个应用

锁相放大器是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器,在科学研究中有着广泛的应用。因此,培养学生掌握这方面的技术和应用,在物理实验教学中,是一个很有意义的课题。本文介绍锁相放大器在He—Ne激光旁侧光谱的研究中的应用。     

功能性近红外光谱系统及锁相放大器算法的研究

功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)技术是一种新兴的非侵入式光学技术,该技术可以测量脑皮层的功能性活动信息。介绍了单通道fNIRS系统的开发,为了验证系统的性能,2人参与了算数运算任务,获得了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化。锁相放大器在fNIRS系统中可以很好地提取淹没在噪声中微弱的光强信号,但是模拟锁相放大器价格昂贵,对多通道系统来说是很大的负担。设计了数字锁相放大器算法,通过与模拟锁相进行比较,结果表明设计的数字锁相放大器可以取代价格昂贵的模拟锁相放大器。     

微弱信号检测讲座第三讲 相关检测及其在锁相放大器中的应用

实际信号的检测,不可避免地要受到各种噪声的干扰.这种噪声干扰限制了测量所能达到的精确性和灵敏度.所以,信号检测的首要问题是抑制噪声提高信噪比.线性滤波是一种常用的抑制噪声方法.但是,当噪声功率超过信号功率很多时,简单的滤波不再有效,需要借助专门的微弱信号检测技术来检测和恢复原始信号.相关检测是其中重要的方法之一.它是人们利用周期信号及噪声自相关函数特性的不同以及信号与噪声不相关等特性,实现在噪声干扰中检测周期信号的方法.锁相放大器就是在此基础上发展起来的一种微弱信号检测仪器. 一、检测噪声中的信号 图1(a)是信号…     

OE5001微弱信号检测教学实验箱(配套数字锁相放大器使用)

正锁相放大器特征参数:测量信号的频率范围为1mHz至102kHz;满量程刻度输出时的输入电平为1nV至1V;时间常数为10μs至3ks,动态储备大于100dB。教学实验箱功能:强噪声背景下信号提取、微小阻抗测量、白噪声测量、声速测量等。并配套教学视频及教学讲义。概述中山大学物理学国家级示范中心从事微弱信号检测的科研及教学仪器十多年,推出了一系列面向科研及实验教学的微弱信号检测仪器,并申请了数十项专利。在科研方面推出的数字锁相放大器OE1022在稳定性、收敛     

锁相放大器在介电测量中的应用

锁相放大器具有灵敏度高、抗干扰性强的优点,已成为微弱信号检测的有力工具.它不仅同一般交流电压表一样可以测量信号电压的振幅,而且可以测量信号电压相对于参考电压的相位.也就是说,锁相放大器可以测量矢量电压.我们将锁相放大器的这一特点用于测定介质样品的复阻抗,进而确定样品的损耗、等效电阻、等效电容和介电常数. 与电桥相比,用锁相放大器测量样品的复阻抗有如下优点:1.抗干扰能力强,异于信号频率的杂散信号不容易干扰被测系统;2.大多数电桥只有一个或两个固定的测量频率,而锁相放大器一般都可以在较宽的频率范围内应用.例如,我们用…     

光学膜厚控制技术——锁相微分极值法的探讨

一、锁相放大器的基本原理锁相技术是七十年代发展起来的,它能把掩没在噪声中的微弱信号提纯,其关键在于采用了相关接收技术。在光学膜厚控制仪中把两个相关函数即被测信号u_1(t)和参考信号u_2(t)进行模拟相乘,再进行积分取平均值,如图1所示。     

单光子计数─—弱光信号检测的有力手段

通常,在一些基本的科学研究领域,特别是在某些前沿学科,诸如分子生物学、高分辨率光谱学、表面物理学、非线性光学、束箔光谱学的研究等方面,都会遇到极微弱的光信息的检测问题.这里,光流强度通常比光电倍增管本身的热噪声水平(10-14瓦特)还要弱,以致于一般的直流检测方法已很难从这种噪声水平下检测出信号.因而常将弱光进行交流调制,利用锁相放大器来提取信息.这种方法是靠压缩系统信息带宽的方法来滤去噪声的.但是当噪声与信号有同样的频谱,或者信号是宽频谱时,锁相放大器便无能为力了.另外,由于模拟积分电路漂移的存在,积分时间往往只能…     

锁定放大器在检测微弱信号中的应用

对锁定放大器的功能原理进行了介绍,并用锁定放大器对微弱信号及加了不同噪声的微弱信号分别进行了测试,实验证明锁定放大器具有良好的检测微弱信号的功能.     

基于锁相放大原理的微弱光信号检测系统设计

为了解决强噪声背景下微弱光信号检测难的问题,介绍了一种基于锁相放大原理的微弱光信号检测系统。系统采用对1 550nm的DFB激光进行调制的方法产生前级信号,利用PIN光电二极管产生的电流信号作为原始信号,经过前级放大、锁相放大及低通滤波电路还原调制信号。系统采用OPA124作为前级运放,AD630作为锁相放大器,参考信号和调制信号均由DDS芯片AD9850产生。滤波电路、移相电路和调制电路均采用高精度运放OP07来设计。实验结果表明,该系统具有很高的线性度,灵敏度为4.51V/V,精度大于0.05%,是一种高精度、高实用性的微弱光信号检测系统。     

锁相放大器的研究进展

锁相放大器可同时在时间与幅度两个维度实现高精度信号测量,是精密系统测控的关键部件.本文以锁相放大器的概念、技术与应用的概貌作为导引,先以模拟、数字以及虚拟锁相放大器的主要关系与区分方法说明锁相放大器的发展演变,继而按照锁相环的阶与型从数学角度对锁相放大器进行分类.随后介绍锁相放大器的幅度、频率与相位噪声等主要性能的测试流程与计量标定进展,讨论相位噪声、时域抖动、阿伦方差等关键指标之间的换算关系以及和幅度噪声之间的耦合关联.最后,列举锁相放大器在光谱增强、阻抗分析、磁性测量、显微成像、空间探测领域的应用形式与效果,通过一些新型应用展望它通过智能计算、精准物联等途径从科学仪器走向工业甚至民品的前景.     

双向反射率测量中锁相放大器的设计

均匀材料表面除镜反射方向的其他散射方向光辐射强度都较微弱.采用信号参量估计中行的最大似然估计,应用相关检测技术,利用被测信号与背景噪声不相关特性,设计了适于微弱光电信号检测的装置--锁相放大器.对金刚砂反射天顶角-55°～55°范围测量的实验结果与双向反射率(BRDF)模型比较显示,在可见光0.632 8 μm波段,误差为3.43%;近红外1.34 μm波段,误差只有0.01%.该锁相放大器适用于材料表面双向反射率的测量.     

太赫兹微弱信号检测系统噪声处理方法研究

为了能够量化物体太赫兹辐射的大小,对黑体辐射中的太赫兹信号进行测量,使测量系统处于真空状态下,并且使用液氮制冷来屏蔽外界杂散辐射。黑体辐射的太赫兹信号由卡塞格林系统聚焦于探测器上。探测器的输出信号用锁相放大器进一步处理,并观察不同时间常数下锁相放大器的输出信号。实验结果表明:当黑体温度为323 k时,实验装置使用液氮制冷前后的测量结果有所不同,前后相差约3 v左右。时间常数对输出结果影响也很大,实验使用3 s比较合适。由于噪声来源复杂、噪声水平很高,黑体在太赫兹波段辐射能量极为微弱,所以系统对温度分辨率要求不是很高。     

红外气体检测中谐波信号正交锁相放大器设计与实现

基于可调谐激光光谱吸收法的红外气体检测,为了从差分信号中有效提取出一次和二次谐波信号,研发了一种谐波信号正交锁相放大器.采用正交锁相放大及谐波检测原理,利用Simulink软件平台构建了模拟实验系统,对其功能做了仿真和验证.采用数字信号处理器作为核心控制器,设计并制作出了谐波信号锁相放大器的系统实物,它主要由90°移相器、两路模拟乘法器、两路低通滤波器、差分信号放大器、模数转换器等构成.实验中,首先利用幅度可调的标准正弦信号作为待测信号,对锁相放大器的输出信号幅度与标准正弦信号的幅度做实验测量与对比,二者线性拟合优度高达0.999 94,最大误差小于4%,具有良好线性度;其次,将模拟吸收产生的差分信号作为待测信号,利用基频方波和二倍频方波分别作为参考信号,提取谐波信号,因二次谐波信号微弱易受噪音干扰,其误差在5%以内,一次谐波最大误差小于3.5%.系统具有良好的稳定性和性价比,在红外气体检测中具有较好的应用前景.     

锁相放大器──一种检测微弱信号的手段

一、实验物理中的有力工具 随着科研和生产的发展,越来越需要测量微弱的信号,恢复及记录其变化.特别是各种物理量的精细结构以及在临界点附近的异常现象,往往引起人们的关心.这些情况下的被测信号常常是深埋在噪声中的微弱信号.例如俄歇谱仪是用来进行表面分析的一种新型分析仪器,它可以鉴定厚度仅几个到等效于几分之一个分子层或5—100A的固体表面.但是由于俄歇电子发射是一个二次效应,俄歇峰处于非弹性散射电子的背景中,虽然1925年即已发现了这个效应,可是直到1968年工作进展甚微.用锁相放大器成功地解决了深埋在噪声中的俄歇峰的检出.又…     

锁相放大器噪声测量原理与教学实验设计

本文采用锁相放大器测量电阻热噪声,获得玻耳兹曼常量,其物理原理较容易被学生理解,其实施则需要高精度测量技术支持和学生对锁相放大器测量原理及其仪器参数含义的清晰理解.针对物理学专业、尤其是精密测量物理专业的特点和需求,本文尝试尽量不涉及电子技术知识,而侧重用数学描述锁相放大器测量噪声的原理,包括电阻热噪声表达式、锁相放大器处理噪声的过程、等效噪声带宽的推导,并基于误差分析优化玻耳兹曼常量测量的教学实验设计,最后简要介绍初步教学实践情况.     

光伏板积尘散射检测中的去噪方法研究

由于光伏板测得的灰尘散射数据受到各种噪声和干扰因素的影响,导致测量数据的误差大。因此,为了得到准确的检测结果,提出了一种结合卡尔曼滤波和数字锁相放大技术的信号去噪方法,对混合了噪声的光伏板灰尘散射信号进行去噪处理。通过仿真实验和对实测的光伏板灰尘散射信号去噪,并计算信噪比、均方根误差和平滑度,验证了联合算法的去噪性能。结果表明,卡尔曼滤波和数字锁相放大器联合去噪算法的信噪比比单一数字锁相放大器去噪算法提高了36%,能够有效降低光电探测系统中的噪声干扰,提高光电探测系统的精度和稳定性。     

面向脉冲量子级联激光器气体检测的锁相放大器

为了在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测系统中,精确提取窄脉冲传感信号的幅度,设计并实现了一种微秒级窄脉冲锁相放大器.根据微秒级窄脉冲的特点,窄脉冲信号经过窄带通滤波电路,得到基频正弦波信号,再经过主放大、移相、相敏检波电路,得到与脉冲幅值有关的直流信号.利用信号发生器产生的幅度、频率、相位可调的窄脉冲待测信号,对锁相放大器进行功能验证实验.结果表明,锁相放大器输出直流信号与输入信号的幅度呈良好的线性关系,线性拟合度约为98.043%;信号幅值的相对测量误差不超过3%;在1 h的测试时间内,信号波动范围在1‰以内.利用配备的不同浓度的一氧化碳样品及研制的锁相放大器,开展了一氧化碳气体检测实验.在0~180 ppm范围内,随着一氧化碳浓度的增加,锁相放大器的输出电压值与一氧化碳浓度呈现良好的e指数关系.根据A11an方差预测的系统检测下限为0.4123ppm.与商用锁相放大器相比,该放大器具有体积小、成本低、易于集成等特点,在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测中具有较好的应用前景.     

三路光纤放大器相干合成技术的实验研究

实验上实现了三路保偏光纤放大器稳定的锁相控制，达到相干合成的输出目的.介绍了实验方案，详细阐述了相位检测与控制的方法并以一路信号光为例给出了相位噪声的测量结果.最后给出了相干合成的远场图样并对其影响因素加以简单分析.实验表明，利用提出的方案增加相干合成的路数是可行的. 关键词： 光纤放大器 相干合成 锁相