近二十年來,鎖相放大器(Look-In Ampli-fier,以下簡稱LIA)得到十分迅速的發(fā)展,我國在引進(jìn)不少國外產(chǎn)品的同時(shí)，也研制生產(chǎn)了一些同類產(chǎn)品”,而且需求量正在日益增加。為了使這些先進(jìn)科學(xué)儀器能獲得更好的應(yīng)用，有必要將其特點(diǎn)、使用方法和技巧,用實(shí)例加以闡述。

LIA的合理使用常常是研究工作的重要環(huán)節(jié),巧妙的應(yīng)用可以得到十分理想的結(jié)果，由于LIA本身的改進(jìn)和發(fā)展,類型增多,普遍適用性強(qiáng)，附件繁雜,給使用者帶來很多方便,但也產(chǎn)生了如何正確選擇的麻煩。

一、使用前須知

1、LIA是對(duì)噪聲有相當(dāng)抑制能力的AC電壓表，通過相敏檢波器(PSD) 進(jìn)行頻譜變換，再用低通濾波器(LPF)壓縮等效噪聲帶寬(ENBW),使大量的寬帶噪聲得到有效的抑制。因此，LIA的輸人是交流信號(hào)(正弦波方波或類方波),輸出是直流信號(hào),輸出與輸人成正比,比例常數(shù)是LIA的總增益。若被測信號(hào)不是AC信號(hào),則需外加調(diào)制,才能使用LIA。

2、LIA的輸入端，往往是一個(gè)傳感器,例如光電倍增管、電子倍增器、溫差電偶、壓電晶體等。其作用是將微弱的被測非電量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)加以檢測.因?yàn)槿跣盘?hào)的轉(zhuǎn)換取決于這一 級(jí),所以對(duì)傳感器的性能和選擇必須充分了解。表示傳感器性能的參數(shù)有:

(1)靈敏度響應(yīng)，即

△P表示被測非電量的變化, △Vout、△lout分別表示傳感器輸出電壓和電流的變化量、靈敏度響應(yīng)直接關(guān)系到LIA的靈敏度(即總增益),它提供選擇合用的LIA與前置放大器的數(shù)據(jù)，

(2)輸出阻抗

對(duì)LIA而言，即為輸人源阻抗。它決定前置放大器的選擇。源阻抗不同,匹配方法亦異.例如光電倍增 管是高阻，

溫差電偶為低阻，壓電晶體則是高阻電容性阻抗。

(3)等效噪聲功率

表征傳感器本身的固有噪聲的量級(jí)。對(duì)LIA而言,則需根據(jù)噪聲給定動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備。

(4)響應(yīng)時(shí)間

它關(guān)系到測量的工作頻率或調(diào)制頻率范圍的確定。例如光電倍增管的響應(yīng)時(shí)間為2ns,調(diào)制頻率基本上不受限制;但對(duì)真空溫差電偶而言，響應(yīng)時(shí)間為20ms, 調(diào)制頻率必須小于50Hz。

3、前置放大器的正確選擇:

傳感器首先與前置放大器相聯(lián)接。為了使前置放大器獲得zui佳的噪聲匹配，常常有多種前置放大器可供選擇,其各自的噪聲因數(shù)圖(即NF圖)提供了選擇的依據(jù).NF的定義為，

逐點(diǎn)測量便可畫出每個(gè)前置放大器特定的NF圖。 NF圖不僅是源電阻R的函數(shù),而且與工作頻率f有關(guān)。在弱信號(hào)檢測中,我們總是希望前置放大器具有zui小NF的源阻抗R和頻率f的范圍,以得到zui佳測量結(jié)果;或者對(duì)于已給定R,值及f范圍的傳感器,利用NF圖可選擇噪聲zui小的前置放大器，例如光 電倍增管，其R,很高，f可任意確定,因此首先考慮使用高源阻抗的前置放大器，然后由NF圖挑選zui佳工作頻率.但對(duì)于真空溫差電偶,它的f需小于50Hz， R 約為10- -20Q,適用于光電倍增管的前置放大器就不能用于溫差電偶。只能使用低源阻抗、低頻率和NF較小的前置放大器,必要時(shí)還需附加一阻抗匹配變壓器。

4、LIA對(duì)噪聲的抑制能力取決于ENBW的大小。

ENBW越小,噪聲抑制越大。ENBW反比于積分器(即LPF)的時(shí)間常數(shù)。因此,LIA的信噪比改善是以犧牲測量時(shí)間為代價(jià)的。

對(duì)連續(xù)的、固定的信號(hào)測量,應(yīng)采用長積分時(shí)間常數(shù)，但對(duì)諸如俄歇譜光譜、電子衍射及能量損失譜等進(jìn)行測量時(shí)，要檢測的常常是變化量，這時(shí)積分時(shí)間常數(shù)的設(shè)定必須與被測量的變化速度相適應(yīng)。積分時(shí)間常數(shù)過小,噪聲就大,過大,雖然噪聲減小,但有用信號(hào)也被積分平滑而嚴(yán)重失真。

5、LIA是一種相關(guān)測量,它鎖定了信號(hào)的固有頻率和相位。這正是隨機(jī)噪聲所不具備的特性。為了滿足這種相關(guān)測量的要求,必須外加與信號(hào)相干的參考信號(hào)。參考信號(hào)可以用多種方式獲得。對(duì)確實(shí)不具備參考信號(hào)條件的交

流信號(hào),則可采用閉環(huán)LIA, 這種性能只有少數(shù)LIA具備,而且需要一定的捕獲時(shí)間。

6、多數(shù)LIA具有F與2F (也有F/2)的選擇開關(guān)，表示經(jīng)頻率變換后加到PSD的參考頻率是信號(hào)頻率的1與2(也有1/2)倍，可以測量信號(hào)的二次諧波和分諧波的分量。但是更多的應(yīng)用是表示附加調(diào)制信號(hào)的一次微分(F參=F信)和二次微分(F參=2F信)這是因?yàn)楫?dāng)附加調(diào)制電壓為

當(dāng)K比較小時(shí),對(duì)信號(hào)電壓V(E +△E)的泰勒級(jí)數(shù)展開并簡化,得

由此可見,只要檢測頻率為ω的信號(hào),即F參=F信,相當(dāng)于檢測dV(E)/dE的分量;當(dāng)檢測頻率為2ω的信號(hào)時(shí),即F參=2F信相當(dāng)于檢測d2V/dE2的分量。這在很多譜儀分析中得到廣泛的應(yīng)用。

7、當(dāng)被測信號(hào)的噪聲大時(shí),需適當(dāng)減小AC增益,即PSD前的放大倍數(shù)需減小,使有足夠的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備,避免噪聲引起LIA過載。當(dāng)被測信號(hào)的噪聲較小時(shí)，則可增加AC增益,增加輸出動(dòng)態(tài)范圍,使測量更準(zhǔn)確。為了使用方便起見，有的LIA設(shè)有高儲(chǔ)備和高穩(wěn)定開關(guān),適合于上述兩種情況的選擇。

8、補(bǔ)償開關(guān)和十圈電位器是非常有用的。它使輸出zui大可達(dá)土1000%。在無信號(hào)輸人時(shí)，可用來校正輸出零點(diǎn)漂移和調(diào)節(jié)記錄筆的適當(dāng)位置;在有信號(hào)輸人時(shí),借以擴(kuò)大讀數(shù)范圍而使零點(diǎn)漂移影響降至zui小。

9、PSD是對(duì)基波及其奇次諧波均有響應(yīng)的梳齒狀濾波器，由于諧波的響應(yīng)幅度按諧波數(shù)遞減,所以對(duì)一般測量影響不大，但若要檢測很大噪聲掩蓋下的弱正弦信號(hào)，需避免奇次諧波頻率處的ENBW所通過的噪聲，便可選擇具有脈寬調(diào)制的唯基(Sinctrac) 測量的LIA。

10、不要以為LIA有顯著的噪聲抑制能力，而忽視了應(yīng)有的屏蔽和良好的接地,因?yàn)樗赡苁菍?shí)驗(yàn)工作成敗的關(guān)鍵.必要時(shí)可采用浮地工作狀態(tài)。

以上所述是良好使用的一些基本原則，若需進(jìn)一步了解,可參閱有關(guān)文章。