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中科院对“锁相放大器”从原理到应用场景的研究发取得重要进展

时间:2020-07-30    来源:中国科学院物理研究所    作者:仪多多商城     
【导读】通过锁相的算法改进成频率的泛函,同时解决被测信号的抗噪测频与准确锁相两个问题,新方法的名称叫测频锁相仪或锁相频率计。

  微弱信号检测是对湮没在背景噪声中的微弱信号的测量,由于微弱信号本身的涨落、背景和放大器噪声的影响限制了它的测量灵敏度。其内涵为利用电子学和信息论的方法,研究噪声的成因和规律,分析信号的特点和相关关系,发展新的检研究的内容有:噪声物测原理、微弱信号检测理论、低噪声设计、弱信号传感器和信号提取技术等。

  需要噪声系数尽量小的前置放大器,并根据源阻抗与工作频率设计最佳匹配;要研制适合微弱检测原理并能满足特殊需要的器件;利用电子学和信息论的方法,研究噪声的成因和规律,分析信号的特点和相干关系。自从1928年发现电阻中电子的热骚动引起非周期性电压以来,弱检测技术受到普遍重视而得到迅速发展。

  微弱信号测量中通常必不可少的锁相放大器。锁相放大器本质上是超窄带滤波器,通过锁相原理的创新来推动微弱信号测量技术进步,具有非常强的理论与现实意义。

  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室公共技术组陆俊副主任工程师长期进行锁相放大器从原理到应用场景的研究,并积累产生了一系列的技术成果。通过锁相的算法改进成频率的泛函,同时解决被测信号的抗噪测频与准确锁相两个问题,新方法的名称叫测频锁相仪或锁相频率计。测频新锁相算法同时解决了通常频率计不能对低信噪比信号进行测量与锁相必须预设参比频率的问题。通过信号与不同类型噪音预混合与提取的系统测试,结果显示噪音下测频精度接近理论限值。 位锁定技术

  是使被控振荡器的相位受标准信号或外来信号控制的一种技术,用来实现与外来信号相位同步,或跟踪外来信号的频率或相位。锁相是相位锁定的简称,其含义是表示两个信号的之间的相位同步。锁相环技术(PLL)是实现相位自动控制的一门新技术。  锁相即相位锁定自动相位控制(APC)利用相位自动调节的方法实现 两个信号的相位同步。锁相环就是完成这 一任务的相位负反馈控制系统。锁相是促进信号之间的相位同步,从而促进锁相环的运行。随着集成电路技术的发展逐渐出现了集成的环路部件、通用 单片集成锁相环及多种专用集成锁相环 PLL变成一个成本低、使用简便的多功能组 件。锁相原理的应用已经深入到通 信、雷达、原子物理学流体力学等。

  锁相放大器种电磁场干扰场合。被测高电压相位信号由采集器取出,经过处理后直接发射出去。由接收器接收并进行相位比较,对核相后的结果定性。是无线传输,真正达到安全可靠、快速准确,适应各种核相场合。

  锁相放大器技术于20 世纪30 年代问世,并于20 世纪中期进入商业化应用阶段,这种电子仪器能够在极强噪声环境中提取信号幅值和相位信息。锁相放大器采用零差检测方法和低通滤波技术,测量相对于周期性参考信号的信号幅值和相位。锁相测量方法可提取以参考频率为中心的指定频带内的信号,有效滤除所有其他频率分量。

  锁相放大器主要用作精密交流电压仪和交流相位计、噪声测量单元、阻抗谱仪、网络分析仪、频谱分析仪以及锁相环中的鉴相器。相关研究领域几乎覆盖了所有波长范围和温度条件,例如全日光条件下的日冕观测、分数量子霍尔效应的测量或者分子中原子间键合特性的直接成像。锁相放大器的功能极其丰富多样。与频谱分析仪和示波器一样,锁相放大器不可或缺,已经成各种实验室装备中的核心工具,比如物理、工程和生命科学等。

  滤波器

  一种选频装置,可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的这种选频作用,可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。换句话说,凡是可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器。滤波器,是对波进行过滤的器件。滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除,得到一个特定频率的电源信号,或消除一个特定频率后的电源信号。

  频率计

  又称为频率计数器,是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。频率计主要由四个部分构成:时基(T)电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。频率,即是信号周期的倒数,也就是说,信号每单位时间完成周期的个数,一般取一秒为基本单位时间。测量频率的方法有很多,按照其工作原理分为无源测频法、比较法、示波器法和计数法等。计数法在实质上属于比较法,其中最常用的方法是电子计数器法。电子计数器是一种最常见、最基本的数字化测量仪器。


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