如何优化锁相放大器测量设置:6条建议

锁相放大器是经典的,最常见的微弱动态信号测量仪器之一。通常,它测量的是淹没在噪声中的信号。为了将锁相检测信号的能力发挥到极致,有时我们需要对输入信号做必要的处理。在这里,我们总结了几个方面,供大家参考。

图1. 在仪器控制软件LabOne的用户界面中,锁相放大器输入前端的信号调理流程图。

第一条, 选择合适的输入量程。这一条至关重要,因为在解调信号前, 现代的锁相放大器都会对输入信号进行模拟转数字,然后进行数字信号处理。量程选择不合适将导致信号失真。如果输入量程过小,在模拟转数字的时候,数字位处于饱和状态,即信号将被削平。反之,如果输入量程过大,数字位的高位将被浪费,模拟转数字的分辨率没有达到最优,引入噪声。因为锁相放大器的不会主动更改输入范围,在选择输入范围的时候,我们要考虑整个测量过程中信号幅度的变化。在实验中,我们可以通过自带的示波器Scope工具查看原始信号,估计信号的大小,然后设置图1中的量程Range。

第二条,如果待测信号中有很大的直流偏置,应该先把它去掉。因为大的直流分量将占用锁相的动态范围,即我们不得不使用大的输入量程,导致测量性能变差。我们应该将输入端设置为AC耦合。如图1所示,AC耦合将在前端引入一个电容,与其他部分一起实现高通滤波,抑制掉直流分量。锁相放大器型号不同,高通滤波器的截止频率也会不一样,一般是几赫兹到几千赫兹。要确保有用的信号的频率足够高,可以通过这个高通滤波器,不被衰减。

第三条,不仅是直流信号,还要考虑不想要的动态信号。这些无用的信号的幅度可能很大,从而妨碍我们使用较小的输入量程。一种解决办法是外接一个滤波器,以有用信号为中心,抑制杂波。另一种办法, 产生一个跟干扰信号相同的信号,连接到锁相放大器的差分输入端。如图1所示,我们要在LabOne中选择差分模式Diff。在差分输入端,因为共模抑制,信号中的无用部分将被减除,从而使解调结果更好,信噪比更优。

第四条,选择合适的输入阻抗。输入阻抗的选择取决于信号的频率,测试样品的接入方式,连接线的长度等。重要的经验是,连接线应当视作传输线。如果它的长度是波长的1/10或更长,我们应该选择50Ω阻抗匹配,从而避免电路中产生反射。比如,信号的频率是30MHz,线的长度大于1米,就应该选择50Ω阻抗匹配。否则,电路中的反射信号可能导致噪声变大,有用信号衰减,从而信噪比变差。在一些应用中, 我们需要非常精确的测量样品上的分压。需要把测量仪器对系统的影响降到最低,我们要用将输入端切换为高阻模式。而高阻模式的缺点是,带来更高的Johnson噪声,影响信噪比。

第五条, 如果要测量电流,为追求最优的结果,我们应当选用具有多级电流输入量程的仪器。它们的跨阻放大器的增益多级可调,可以选择不同的输入量程和带宽。在选择电流输入量程时,要选择尽可能小的量程(即最大的增益),也要具有足够大的输入带宽。下图中,以中频锁相放大器MFLI为例,给出了不同量程对应的增益和带宽。量程越小,带宽越小,这是一对矛盾。我们要确保电流信号的频率低于所选择的量程对应的带宽。

第六条, 如果测量中需要外接参考信号,我们要优化频率锁定的部分,即锁相环。理想的参考信号是纯净的,仅有一个频率,幅度稳定,噪声极低。为了满足精密测量的要求,我们需要高质量的参考信号源。如果可能,我们应该用专用的参考源接口或者触发输出通道。如果参考信号中包含多个频率或者很嘈杂, 我们可以用合适的带通或低通滤波器来优化这个信号。注意,影响锁频质量的主要是参考信号中无用的高频信号。为了到达稳定的锁频,如果可能,我们可以调小锁相环的带宽。

 

总结,以上我们给出了锁相放大器的输入信号和参考信号源的调理的建议。有些调理操作在锁相放大器仪器内部就可以完成,有些则需要外接一些电路来实现。如果您遇到难测的信号,可以尝试这些建议。如果有任何疑问,欢迎联系我们。

感谢Claudius Riek博士制作的图片。本文根据视频内容改编 6 tips to improve your lock-in measurements