国产化电子锁定放大器的设计外文翻译Word文档下载推荐.docx
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2012年10月10日
原文:
DESIGNOFANINDIGENISED
ELECTRONICLOCK-INAMPLIFIER
UMESHKUMAR*
Deptt.ofElectricalEngineering,HT,NewDelhi-llO016,India
(Received7April2000;
Infinalform25April2000)
Anindigenisedlock-inamplifierisdesignedthatenablestheaccuratemeasurementofsignalscontaminatedbybroad-bandnoise,power-linepick-up,frequencydrift,orothersourcesofinterference.Itdoesthisbymeansofanextremelynarrowbanddetectorwhichhasthecentreofitspassbandlockedtothefrequencyofthesignaltobemeasured.Largeimprovementsinsignal-to-noiseratioareachieved.
Keywords:
Lock-in;
Amplifier;
Narrowbanddetector;
Accuratesignalmeasurement
I.INTRODUCTION
Thelock-inAmplifierisanalogoustoasynchronousdemodulatororaphasesensitivedetector.Itisaspecializeda.c.voltmeterthatusessynchronousdemodulationtomeasuresignalstrengthorphaseevenunderseverenoiseconditionviz.wherenoisetosignalratioapproaches130dB.Theinstrumentcanbeusedwhereverthesigna
ofinterestcanbesynchronisedwithorderivedfromaparticular
referencesignal.
Theoutputofalock-inamplifierisaphasesensitived.c.voltage
proportionaltothesignal.Itcanbedividedintofourmain
sections:
Asignalchannel;
ReferenceChannel;
Mixer(Phasesensitivedetector)andad.c.amplifierwithalow-passfilterasshowninFigure1.
II.DESCRIPTIONOFTHEVARIOUSPARTS
Inthesignalchannel,theinputsignalandnoiseisconditionedbythelow-noisepre-amplifiersandpost-amplifierwithafiltersandwichedinbetween.Thepurposeofthisfilteristoreducethepossibilitythatthemixerwilloverloadduringseverenoiseconditions.
Thereferencechanneltransformstheexternallyappliedreferencetoasuitablesquarewaveatreferencefrequencytodriveorswitchthemixer.Thelock-inoutputisindependentofthereferencedamplitude.However,theoutputdoesdependonthephasedifferencebetweenthesignalandthereference.
TheMixeristhemainpartofthelock-inamplifier.Itislikeanelectronicreversingswitchwhosesenseorpositionisdeterminedbythesquaredrivepolarityofthereferencechannel.Thesignalchanneloutputiscommutatedatthereferencefrequency.Thesignalchanneloutputconsistsoftwoequalamplitudesinusoids,oneinandoneoutofphasewiththereference.
III.DESCRIPTIONOFOPERATION
Duringthefirsthalfcycle,thereferencedriveispositiveandtheswitchinFigure2isinpositionA.Themixeroutputisapositivehalf-wavesinusoidduringthisinterval.
Duringthesecondhalfwavecycle,theswitchisinpositionBandthemixeroutputisstillpositive.Therefore,whenthereferenceand
sinusoidalsignalsareinphaseatthemixerinputterminals,themixeroutputisafull-waverectifiedsinusoidwhosefundamentalistwicethereferencefrequencyandwhosed.c.componentisproportionaltothesignalofinterest.Whenthereferencedriveandthesignalareinquadrature,thatistheirphasedifferenceis90,thereisnod.c.component.
Wherethereferenceisnotinphasewiththesignal,themixeroutputwillnotcontributeanyd.c.component.Thisiswhathappenstoanykindofnoisepresentinthesignal.
Inthemathematicalanalysisofthedemodulationprocess,the
mixeroutputm(t)canbethoughtofasaproductofthesignal
channeloutputs(t)anda-+-1Voltpeaktopeaksquarewave.
WiththereferencerepresentedbyaFourierseries,m(+)canbe
writtenas:
LOCK-INAMPLIFIER57
Ifs(t)hasafrequencycomponentincommonwithanyofthereferencecomponents,therewillbeaphasesensitived.c.component.
Nowsynchronouscomponentssharenocommonfrequencieswith
thereferenceandwillnotcontributed.c.componentstothemixer
output.Whenthemixeroutputispassedthroughalowpassfilterto
removethea.c.fluctuations,thesignaltonoiseratioisenhancedinproportiontothesquarerootofthefiltertimeconstant.Sincetheequivalentnoisebandwidthisdeterminedbythelow-passfilterandnotthesignalchannelfilter,bandwidthisnarrow.Figure3showstheactualindigenisedcircuitofalock-inamplifierpracticallybuiltandtestedinthelaboratory.
IV.APPLICATIONS
Sometypicalapplicationsofthelock-inamplifieraredescribedbelow:
(a)Tomeasuretheopenloop-gainofanoperationalamplifier
(Fig.4a).
(b)TodeterminetheC-V(capacitance-voltage)characteristicsofa
MOSTransistor(Fig.4b).
60U.KUMAR
(C)Tomeasuretheamplifiercrosstalk(Fig.4c).
(d)Asatemperaturecontroller(Fig.4d).
(e)AsanEddy-currenttester(Fig.4e).
(f)Alsoasaphotometricinstrument(Fig.4f).
References
[1]Letzter,S.G.,"
Explorethelock-inAmplifier"
.ElectronicDesign,22,104-109,11
October,1974.
[2]Macken,W.J.,"
SynchronousandNon-synchronousRectificationwithop-amp"
ElectronicEngineering,45,18-19,March,1973.
[3]Williams,D.R.andLum,W.T.(1974)."
Lock-inamplifierusesasingleIC"
Analog
Dialogue,8
(1),1819.
译文:
国产化电子锁定放大器的设计
电气工程学院,印度,新德里
(2000四月七日开始制作,2000四月二十五日完成))
国产化锁定放大器设计,能够在较强干扰背景条件下,对特定频率信号进行有效测量,电力线路产生的噪声,频率漂移的影响,或者其他干扰源。
它通过极窄的频带检测器,过滤掉不在频带范围内的干扰信号。
就可以大大改善信号对噪声的信噪比。
关键词:
锁定;
放大器;
带通滤波器;
准确的测量信号
一、引言
锁定放大器类似于同步解调器和相敏检波器。
这是一个专门的交流电压表,采用同步检波测量被测信号的强度和相位,即使在恶劣的噪声条件使用。
在被测信号和噪声信号的比值接近130分贝。
该仪器仍可用于任何被测信号,在同步信号下或者来自一个特定的参考信号中导出。
锁定放大器的输出是其初相位与输出直流电压成一定比例的信号。
它可分为五个主要部分:
信号通道;
参考通道;
相敏检波器(PSD)、直流放大器和低通滤波器(LPF)。
如图1所示锁定放大器工作原理图.
如图1
二、各个部分描述
在信号通道中,输入信号和噪声先经过低噪声前置放大器,放大信号和噪声。
放大的信号在进入滤波器,滤除大部分不符合的噪声信号,最后经过相敏检波器将信号读取出来。
参考信号通道由特定频率的方波,在已知频率下进行相位的对准(与被测信号一致)。
继而输入方波驱动电子开关。
就能锁定输出是一定的幅值。
其输出幅值大小与被测信号和参考之间的相位差有关。
相敏检波器是锁定放大器的核心部分,相敏检波器鉴幅又鉴相,它就像一个电子转换开关,它的通断与参考通道的方波极性有关。
在参考相位下,相敏检波器的信号输出通道输出经过处理的波形,其输出波形输出是参考信号频率二倍的波形,其波形是两个相等振幅完全一样的正弦曲线。
三、操作描述
第一个半周期期间,参考驱动波形都为正极的电路,其转换开关打到图2A处的位置,其输出正半弦波在此电路条件下进行。
第二个半波周期期间,参考驱动波形都为负极的电路,其转换开关打到图2B处的位置。
其输出正半弦波在此电路条件下进行。
因此,当参考信号和被测信号共同输入相敏检波器的输入端,该相敏检波器的输出是一个全波整流正弦其根本是两倍的参考频率,其直流分量与参考信号和被测信号的相位有关。
当参考信号与被测信号是正交时,这时他们的相位差是90°
,没有直流分量的输出。
如图2
如果不提供参考信号下就会无法驱动相敏检波器,相敏检波器将不能够工作,所以即使在任何噪声环境下,相敏检波器将不会有任何直流分量的输出。
解调过程的数学分析,相敏检波器输出M(T)可以被看作一个信号通道的输出S(T)和A+1伏的峰-峰值的方波。
用傅里叶级数表示,M(+)可以写为:
如果被测信号S(t)与参考信号相位之间的相位角不等于0,那么相敏检波器将有一个相对应的直流分量。
在锁定放大器中,假如频率和相位不一致,将导致相敏检波器输出的直流分量不正确,为了得到消除交流波动,在相敏检波器的输出端,增加一个低通滤波器消除交流波动。
增强信噪比的平方根和滤波器时间比例常数提高信噪比。
由于输出的频带宽度是由低通滤波器决定的,而不是由信号输入时的带通滤波器决定的,带宽很窄。
图3表示的是国产化锁定放
大器的制作电路和实验室的实际使用电路图。
如图3锁定放大器电路
如图4
图4续
锁定放大器
四、应用
锁定放大器的一些典型应用如下:
(a)衡量一个运算放大器的开环增益(如图4a)。
(b)确定C-V(电容电压的MOS晶体管的特性)(如图4b)
(c)测量放大器的串模干扰(如图4c)
(d)作为一个温度控制器(如图4d)
(e)作为涡流检测仪(如图4e)
(f)也作为光度仪(如图4f)
参考文献
(1)Letzter,S.G.“探索锁相放大器”。
电子设计,1974年10月11日。
(2)Macken,W.J.,“同步和非同步整流放大器”。
电子工程,1973年3月18,19日
(3)Williams,D.R.andLum,W.T.(1974).“锁定放大器集成”,模拟电子,8
(1),18-19
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