1、本科生畢業(yè)論文設(shè)計(jì)題目 微弱信號檢測方法的研究 作者姓名 田紀(jì)光_ 指導(dǎo)教師 _ 所在學(xué)院 河北師范職技學(xué)院_ 專業(yè)（系）電氣工程及其自動(dòng)化_ 班級（屆） 2012屆_ 完成日期 年 月 日 TOC o 1-3 h z u 目錄 HYPERLINK l _Toc324243860 摘要、關(guān)鍵詞I HYPERLINK l _Toc324243861 英文摘要、關(guān)鍵詞II HYPERLINK l _Toc324243862 第1章 引言 PAGEREF _Toc324243862 h 1 HYPERLINK l _Toc324243863 第2章 鎖定放大器的基本組成 PAGEREF _Toc32

2、4243863 h 2 HYPERLINK l _Toc324243864 PAGEREF _Toc324243864 h 2 HYPERLINK l _Toc324243865 2. 2參考通道 PAGEREF _Toc324243865 h 3 HYPERLINK l _Toc324243866 2. 3相敏檢測器 PAGEREF _Toc324243866 h 3 HYPERLINK l _Toc324243867 PAGEREF _Toc324243867 h 4 HYPERLINK l _Toc324243868 第3章 鎖定放大器的工作原理 PAGEREF _Toc32424386

3、8 h 6 HYPERLINK l _Toc324243869 3.1輸入信號x(t)與參考信號r(t)都為正弦波 PAGEREF _Toc324243869 h 6 HYPERLINK l _Toc324243870 為正弦波，參考輸入為方波 PAGEREF _Toc324243870 h 9 HYPERLINK l _Toc324243871 第4章 鎖定放大器應(yīng)用 PAGEREF _Toc324243871 h 12 HYPERLINK l _Toc324243872 PAGEREF _Toc324243872 h 12 HYPERLINK l _Toc324243873 PAGEREF

4、 _Toc324243873 h 13 HYPERLINK l _Toc324243875 第5章 應(yīng)用虛擬儀器軟件的仿真簡介 PAGEREF _Toc324243875 h 17 HYPERLINK l _Toc324243876 5.1虛擬儀器 PAGEREF _Toc324243876 h 17 HYPERLINK l _Toc324243877 PAGEREF _Toc324243877 h 18 HYPERLINK l _Toc324243878 PAGEREF _Toc324243878 h 19 HYPERLINK l _Toc324243879 結(jié)論 PAGEREF _Toc3

5、24243879 h 20 HYPERLINK l _Toc324243880 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc324243880 h 21 HYPERLINK l _Toc324243882 致謝 PAGEREF _Toc324243882 h 22微弱信號檢測方法的研究 職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) 指導(dǎo)教師 作 者 田紀(jì)光摘要：微弱信號常常的淹沒在大量的噪音背景中 ,對其檢測的目的就是改善信噪比 ,恢復(fù)信號的幅度。鎖定放大器在檢測微弱信號時(shí)采用了相干檢測技術(shù) ,有很好的精確性和靈敏度 ,已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中必不可少的儀器。鎖定放大電路具有極強(qiáng)的抗噪聲性能,它和一般的交流放大電路不

6、同,輸出的信號并不是對待測信號的簡單放大,而是把待測信號中與參考信號同步的那部分信號放大檢測出來,并變成相應(yīng)的直流信號。由于旋轉(zhuǎn)電容濾波器也可以用來從噪聲中檢測已知頻率的正弦信號或方波信號，只要選擇較大的時(shí)間參數(shù)RC,其等效噪聲帶寬也可以做的很窄，所以它具有很強(qiáng)的抑制噪聲能力。把旋轉(zhuǎn)電容濾波器引入到鎖定放大器的信號通道，就可以再次賦予調(diào)制信號一種頻率特性，所以基于旋轉(zhuǎn)電容濾波器的鎖定放大器可以提高交流增益，降低直流增益，從而展寬整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)儲備，提高輸出的穩(wěn)定性，從而提高了整個(gè)鎖定放大器的檢測性能。 關(guān)鍵詞： 鎖定放大器 濾波器 信號通道 Abstract:A weak signal of

7、the submered in a large number of often noise background, the testing purpose is to improve the signal-to-noise ratio, and restore amplitude of a signal. Lock-in amplifier in detect weak signal used the coherent detection technology, has the very good accuracy and sensitivity, has become necessary i

8、n modern science and technology of the instrument. Lock amplifier circuit with strong resistance to noise performance, it and general communication amplifier circuit is different, the output signal and not treat the measured signal simple amplifier, but for the signal of the reference signal synchro

9、nization with that part of the amplification detected, and become the corresponding dc signal. For rotary capacitance filter can also be used to the noise from the known frequency sine signal detection or square wave signal, as long as the choice of large time parameters RC, its equivalent noise ban

10、dwidth also can do is very narrow, so it has a strong ability to reduce the noise. The rotating capacitance filter is introduced to lock the amplifiers signal channel, again give modulation signal a frequency characteristics, so based on the lock-in amplifier rotating capacitance filter can improve

11、the exchange gain and lower dc gain, and to enhance the whole system dynamic reserves, improve the stability of the output, thus improving the detection performance of the lock-in amplifier.key words：lock-in amplifier; Filter; Signal channel第1章 引言鎖定放大器是微弱信號檢測的重要手段，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、通信、電子技術(shù)等領(lǐng)域的研究工作中

12、。在微弱信號檢測方面顯示出優(yōu)秀的性能，在科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，對有些激光器用戶來說，其中最普通最重要的應(yīng)用之一是光譜學(xué)研究，既用以恢復(fù)微弱電光信號。然而其它重要的應(yīng)用還包括測量瞬間交流信號，如超導(dǎo)體、低溫研究、工業(yè)質(zhì)量控制，以及物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、地震、海洋學(xué)的研究噪聲系數(shù)是衡量低噪聲放大器的重要指標(biāo)。放大器本身產(chǎn)生噪聲，其輸入端的信噪比總大于輸出端的信噪比，噪聲系數(shù)反映了放大器使信噪比不同程度的降低。因?yàn)樗窃诓煌到y(tǒng)和不同器件同器件進(jìn)行選擇，需要進(jìn)行測量和對比它們的噪聲系數(shù)，而且放大器的噪聲系數(shù)屬于頻率函數(shù)，并且還需要對其噪聲系數(shù)進(jìn)行頻率的測量以至于能在不同頻率時(shí)放大器的噪

13、聲特性。利用鎖定放大器進(jìn)行測量可滿足要求。本文就全面介紹鎖定放大電路的組成，原理和具體的幾個(gè)應(yīng)用。本文還介紹利用虛擬軟件系統(tǒng)在鎖定放大中的應(yīng)用。第2章 鎖定放大器的基本組成 鎖定放大器，簡稱LIA,它是一個(gè)以相關(guān)器為核心的微弱信號檢測儀器，它在強(qiáng)噪聲情況下檢測微弱正弦信號的幅度和相位.它有四個(gè)主要部分組成：信號通道、參考通道、相關(guān)器（即相關(guān)檢測器）和直流放大器. 任何儀器均有自己的主要性能指標(biāo),等效噪聲帶寬、信噪比改善和動(dòng)態(tài)范圍作為鎖定放大器的主要性能指標(biāo)。 圖2-1-2 鎖定放大器基本組成圖信號通道在相關(guān)器的前面，它是由輸入放大器、有源濾波器和放大器構(gòu)成的。它有將微弱信號進(jìn)行放大能使相關(guān)器正

14、常工作所需電平的作用，并且?guī)в袨V除和抵制噪聲干擾的能力，使儀器的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大。 信號通道對輸入的幅度調(diào)制正弦信號進(jìn)行交流放大，濾波等處理。因?yàn)楸粶y信號微弱（例如nV數(shù)量級），而伴隨的噪聲相對較大，所以信號通道的前置放大器必須有低噪聲，高增益，而且動(dòng)態(tài)范圍要大的特點(diǎn)。為了能達(dá)到最好的噪聲性能前置放大的等效噪聲阻抗要與信號源的輸出阻抗相匹配。對不同的傳感器，例如熱電偶，壓敏電阻，應(yīng)變片等，它們的輸出阻抗各不相同，為了使前置放大器與傳感器實(shí)現(xiàn)噪聲匹配，以達(dá)到最小的噪聲系數(shù)，需要設(shè)計(jì)和制作針對不同傳感器的前置放大器。在信號通道中被人們經(jīng)常用到其中心頻率是載波頻率的帶通濾波器，鎖定放大器中的帶通濾波器，

15、它是用低通濾波器和高通濾波器組合而成的，如圖所示高通濾波器的拐點(diǎn)頻率和低通濾波器的拐點(diǎn)頻率都是可以調(diào)節(jié)的，從而可以根據(jù)被測信號的情況對設(shè)定帶通濾波器的帶寬B和中心頻率進(jìn)行選擇。(a)電路結(jié)構(gòu)(b)LPF幅頻響應(yīng)(c)HPF幅頻響應(yīng)(d)組合成的BPF2. 2參考通道參考通道的作用是為了給相敏檢測器（PSD）提供控制信號，它是與被測信號相干的。參考通道由方波發(fā)生電路和移相電路組成,其作用是提供一個(gè)與輸入信號同相的方波,調(diào)整移相電路使參考信號與有用信號相位一致,從而信噪比改善為最佳.參考輸入一般是三角波、方波、脈沖波、正弦波有的是一些其他不同類別的周期信號，它的頻率和載波頻率相同，由觸發(fā)電路將它變

16、成較為規(guī)則的同步脈沖波。參考通道的輸出r(t)可以是正弦波，也可以是方波。為了防止r(t)的幅度漂移影響鎖定放大器的輸出精度，r(t)最好采用方波開關(guān)信號，其正負(fù)半周之比為11，在下節(jié)說明鎖定放大原理時(shí)我們分別以正弦波和方波為例，來進(jìn)行比較。移相電路作為參考通道的中心部件，它可以實(shí)現(xiàn)按級跳變的相移（，）和連續(xù)可調(diào)的相移（0）。移相電路可以用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)，也可以用模擬積分比較器，有或者還可以用環(huán)路濾波和壓控振蕩器VCO和集成化的數(shù)字式鑒相器構(gòu)成。2. 3相敏檢測器 相敏檢測器的輸出是通過使低通濾波器壓縮帶寬從而濾除大量的的寬帶噪聲，所以使鎖相放大器具有很強(qiáng)的抑制噪聲的能力，鎖相放大器的通帶寬度取是

17、由低通濾波器的時(shí)間常數(shù)決定的，時(shí)間常數(shù)越長，帶寬越窄，信噪比的改善越高，信噪比的改良正比于時(shí)間常數(shù)的平方根，為了使LPF的輸出滿足其要求常常使用直流放大器對輸出進(jìn)行放大，總而言之鎖相放大器就是將深埋在噪聲中特定頻率的微弱信號提取出來并進(jìn)行放大。相敏檢測器的作用是對輸入信號和參考信號完成乘法運(yùn)算，得到他們的和頻與差頻的諧波信號，然后再經(jīng)過低通濾波器過濾掉高頻信號和成分高次諧波，這個(gè)時(shí)候的時(shí)的等效噪聲帶寬應(yīng)該很窄，那么就可以將深埋在 噪聲中的微弱信號提取出來。精密交直流轉(zhuǎn)換電路將低通濾波器輸出的交流信號轉(zhuǎn)換為直流電壓來測量和與計(jì)算機(jī)接口。PSD是對基波或其奇次諧波均有相應(yīng)的梳齒狀濾波器，由于諧波的

18、相應(yīng)幅度按諧波數(shù)遞減，所以對一般測量影響不大，但是要檢測很大噪聲掩蓋下的弱正弦信號，需要避免奇次諧波頻率處的ENBW所通過的噪聲。被測信號一般是已知頻率的正弦波或者是方波，由于動(dòng)態(tài)范圍和線性，通常在相敏檢測器中采用動(dòng)態(tài)范圍比較大、線性好和電路相對簡單的開關(guān)式乘法器。所以在鎖定放大器中的參考信號是方波并且與待測信號同步而不是一個(gè)任意的函數(shù)。然后就可以用相敏檢波器使待測信號和單位幅度同步方波相乘。低通濾波器鎖定放大器改善信噪比的作用主要用低通濾波器（LPF）實(shí)現(xiàn)，低通濾波器的時(shí)間常數(shù)RC越大，鎖定放大的通頻帶寬度越窄，抑制噪聲的能力越強(qiáng)。在節(jié)我們提到了鎖定放大器中運(yùn)用積分器，實(shí)際上鎖定放大器的積分

19、器常用低通濾波器代替。雖然相敏檢測器得到了與相位差成正比例的脈沖信號，但是必須將這個(gè)脈沖信號變?yōu)橹绷餍盘?，提取直流分量，為下一步的?shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備為了使LPF的輸出能夠顯示設(shè)備和驅(qū)動(dòng)合適的指示，一般會采用用直流放大器來使其輸出放大，而且，溫度漂移和時(shí)間漂移要小，直流放大器的輸入失調(diào)電壓也要小，LPF的拐點(diǎn)頻率通常是可以調(diào)節(jié)的，來適應(yīng)不同的被測信號頻率特性的需要。此外還應(yīng)注意的是，信號通道中常用的濾波器是中心頻率為載波頻率w。的帶通濾波器，如節(jié)所介紹。在鎖定放大器中，常采用低通濾波器和高通濾波器組合而成的帶通濾波器。鎖定放大器的各部分電路必須采用必要的屏蔽和接地措施，為的是抑制外部干擾的影響。各

20、部分的信號和電源電路還應(yīng)采取必要的隔離措施。第3章 鎖定放大器的工作原理鎖定放大器的關(guān)鍵是在還原調(diào)制前被測信號的過程中利用輸入信號與參考信號的相關(guān)性進(jìn)行相敏檢波，它的技術(shù)核心是相關(guān)器。鎖定放大器基本原理框圖如圖3-1-1所示。圖中經(jīng)參考信號調(diào)制的傳感器輸出作為鎖定放大器的輸入信號被送到信號通道進(jìn)行阻抗匹配、幅度匹配和交流窄帶放大，信號通道采用成本相對低廉的交流窄帶放大器；參考信號通過參考通道觸發(fā)整形、移相加工形成單位對稱方波；相關(guān)器通過把輸入信號與參考信號相乘后再積分的辦法，抑制各種噪聲和干擾，提取信號中與參考信號相關(guān)的成分，把它還原成傳感器輸出的被測信號。本文以模擬乘法器式為例來介紹其原理。

21、 交流窄帶放大器濾波器調(diào)制后的傳感器輸出信號輸入?yún)⒖夹盘栃盘柾ǖ溃ㄗ杩蛊ヅ洹V波、放大）相關(guān)器（相敏檢波PSD）DC輸出參考通道傳感器參考信號發(fā)生器被測物理量信號檢測與調(diào)制部分鎖定放大器部分整形移相、輸出單位對稱方波PSD輸出圖3-1-1鎖定放大器基本原理框圖輸入信號x(t)與參考信號r(t)都為正弦波即 = (+) (3-1)=() (3-2)是被測信號和參考信號的頻率，是它們之間的相位差。模擬乘法器型相敏檢測的輸出是它的兩路輸入信號的乘積，如圖3-1-1所示：圖 3-1-2即 = (3-3)把(3-1)、(3-2)式代入(3-3)式中 （3-4）第一項(xiàng)為乘法器的差頻分量，第二項(xiàng)為和頻分量，

22、由第（3-4）式說明，經(jīng)過相敏檢測后，原來的頻率為的信號頻譜遷移到了=0和=2處。如圖3-1-2所示： 圖 3-1-3 相敏檢測器實(shí)現(xiàn)的頻譜遷移(a)原頻譜；(b)遷移后的頻譜經(jīng)過圖2-1-1中的LPF濾波后，其中和頻分量被濾除，LPF外的噪聲也被濾除。則最后輸出為 （3-5）當(dāng)=0時(shí)輸出最大，正比于被測信號的幅度同時(shí)正比于被測信號與參考信號的相位差的余弦函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了鑒幅又鑒相。在上一節(jié)中我們提到了低通濾波器時(shí)間常數(shù)RC越大，鎖定放大器的通頻帶寬越窄，抑制噪聲的能力就越強(qiáng)，下面來具體介紹其原理。如果被測信號的中心頻率偏離參考信號頻率，即 0,則 (3-6）所以= （3-7）再經(jīng)LPF濾波后

23、 （3-8） 假設(shè)采用一階RC低通濾波器，其頻率響應(yīng)應(yīng)為 幅頻響應(yīng)： 相角： 對于的正弦輸入信號，LPF的輸出為 （3-9） 若則式（3-9）可化簡為 （3-10） 式（3-10）說明，當(dāng)時(shí)，輸出的幅度最大（）；當(dāng)時(shí)，輸出幅度要減小，不但按而減小，還要乘以小于1的系數(shù)。如圖3-1-3所示。圖3-1-4 相敏檢測器的幅頻特性又因?yàn)橐浑ARC低通濾波器的等效噪聲帶寬為，相敏檢測器的等效噪聲帶寬為其兩倍，即 可見，低通濾波器的時(shí)間常數(shù)越大，等效噪聲帶寬越窄，相敏檢測器的信噪 改 善比（SNIR）越大，抑制噪聲的能力越強(qiáng)。為正弦波，參考輸入為方波設(shè)信號輸入為：參考信號是幅度為的方波，周期為T，角頻率。如

24、圖3-2-1所示：圖 3-2-1 參考方波的波形根據(jù)傅立葉分析的方法 ， 其中 如圖3-2-1所示，方波為偶函數(shù)且均值為零。所以 由此看出，當(dāng)m偶數(shù)時(shí)，,m為奇數(shù)時(shí)為+1或-1。則 經(jīng)LPF濾波后，因?yàn)榈牟铑l項(xiàng)及所有的和頻項(xiàng)均被濾除，利用方波作為參考可以得到與正弦波參考完全相同的的結(jié)果，并且還可可以看出的幅度要更大。當(dāng)方波的幅度時(shí)，可以用電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)方波信號與被測信號的相乘，就是當(dāng)為-1時(shí)，電子開關(guān)的輸出連接到-當(dāng)為+1時(shí)，電子開關(guān)的輸出連接到； LPF的輸出： 從而可以看出電子開關(guān)和模擬乘法器相比不僅工作穩(wěn)定性好，而且成本較低，速度更快。第4章 鎖定放大器應(yīng)用鎖定放大器（LIA）是微弱信號

25、檢測的重要手段，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、天文、通信電子技術(shù)等領(lǐng)域的研究工作中。例如，分子束質(zhì)譜儀掃描電鏡軟X射線激發(fā)電位能譜儀4等儀器中都采用了鎖定放大器。這里只介紹幾個(gè)典型的應(yīng)用事例。阻抗微小變化的測量很多種傳感器可以將被測物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電感電容或電阻的變化，之后檢測這些阻抗的變化，并指出被測量。例如，熱電阻將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，貼在構(gòu)件表面的應(yīng)變片將構(gòu)件應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，電感式電位移傳感器或差動(dòng)變壓器將位移轉(zhuǎn)換成電感的變化，被測介質(zhì)的位置濕度密度等的變化都可以通過合適的傳感器轉(zhuǎn)換成電容的變化。交流電橋經(jīng)常用來測量阻抗的變化，一檢測出被測物理量或化學(xué)量

26、。如圖4-1-1所示，交流激勵(lì)電壓源為E，為被測阻抗，交流電源E使得被測（阻抗變化）得到調(diào)制，同時(shí)也為LIA提供了參考信號。當(dāng)電橋后續(xù)電路的輸入阻抗比橋臂阻抗大得很多時(shí)，電橋的電壓輸出為 （4-1）電橋平衡條件為： （4-2）圖4-1-1 交流電橋檢測阻抗變化當(dāng)被測阻抗變化為時(shí)，式（4-1）變?yōu)?（4-3）如果變化量相對于很微小，則式（4-2）基本成立，而且式（4-3）式中的可以略去，得 （4-4）當(dāng)是，式（4-4）可以近似為 （4-5）式（4-4）和式（4-5）說明，交流電橋輸出信號的幅度正比于被測阻抗的相對變化量，而且正比于電橋的激勵(lì)電壓E。對于負(fù)阻抗 式中，和分別表示的電阻分量，式（4-

27、5）可以改寫為用圖4-1-1所示的LIA來檢測的微小變化，參考信號就是電橋的交流激勵(lì)電源E。由于也是復(fù)數(shù)，所以它呈現(xiàn)為互相正交的兩個(gè)分量。如果利用正交矢量型鎖定放大器分別測量出的實(shí)部與虛部，就可以計(jì)算出的幅度和相位。當(dāng)被測量為微弱信號時(shí)，交流電橋各臂的分布電容和分布電感對檢測結(jié)果會有較大影響。當(dāng)激勵(lì)電源E的頻率較高時(shí)，這種影響尤其明顯，只采取適當(dāng)措施，使這些分布參數(shù)不隨溫度和時(shí)間而變化，才能得到較精確的檢測結(jié)果。放大器噪聲系數(shù)測量由于放大器的特性使其本身就可以產(chǎn)生噪聲，其輸入端的信噪比要大于輸出端的信噪比，信噪比的程度是由噪聲系數(shù)反映出來的。需要對它們的噪聲系數(shù)進(jìn)行對比和測量來進(jìn)行不同器件或系

28、統(tǒng)之間的選擇，。此外，放大器的噪聲系數(shù)因?yàn)槭穷l率的函數(shù)，為了更好的了解放大器在不同頻率點(diǎn)的噪聲特性,還需要對噪聲系數(shù)進(jìn)行頻率掃描的測量。測量放大器的噪聲系數(shù)需要對兩個(gè)方面進(jìn)行測量：一個(gè)是測量響應(yīng)，它是放大器對校準(zhǔn)了的信號源的響應(yīng)，另一個(gè)功率，它是當(dāng)放大器輸入端對地短路時(shí) ，放大器自身的噪聲在其輸出端所展現(xiàn)的噪聲功率；然后在他們兩者之間進(jìn)行計(jì)算和比照從而能夠求出噪聲系數(shù)。信號源是一般采用寬帶噪聲發(fā)生器或者是正弦波發(fā)生器。但是當(dāng)使用鎖定放大器進(jìn)行測量時(shí)，信號源必須用正弦波發(fā)生器。 鎖定放大器可以相當(dāng)于一個(gè)濾波器，它的中心頻率為，頻帶很窄，它有別于普通帶通濾波器，鎖定放大器的輸出不是正弦波而是是相應(yīng)

29、于輸入正弦波幅度的支流信號。如果讓他變成一個(gè)中心頻率可以變化的帶通濾波器只要改變參考輸入的頻率即可，為了可以測量各種頻率點(diǎn)處放大器的噪聲系數(shù)。其測量電路示于圖7中，是外加的信號源電阻，放大器的噪聲系數(shù)是信號源電阻的函數(shù)，es是正弦信號電壓源，輸出電阻近似為零；圖 4-2-1 LIA測量放大器噪聲系數(shù) 先要把放大器的輸入端接地，將開關(guān)轉(zhuǎn)向A，為了測出放大器在有信號源電阻情況下，在LIA等效噪聲帶寬內(nèi)的輸出噪聲功率，其中為輸出噪聲有效值。有 （4-6） 上式中，為放大器功率增益，注意，不同于放大器電壓增益的平方，它包括和放大器輸入電阻所形成的衰減器的效應(yīng)。是放大器總的等效輸入噪聲功率，它可以表示為

30、 （4-7）式中的第一項(xiàng)為電阻的熱噪聲功率，第二項(xiàng)為放大器等效輸入電壓噪聲功率，第三項(xiàng)為放大器等效輸入電流噪聲功率。然后為了使正弦信號施加到放大器輸入端，所以要將開關(guān)K轉(zhuǎn)向B，從而能夠算出放大器的輸出（正弦信號加噪聲）功率，并且單獨(dú)由正弦信號產(chǎn)生的輸出功率為 （4-8）設(shè)的有效值為，那么放大器功率增益表示為 （4-9）將式（4-9）代入式（4-6），可得 （4-10） 根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，在LIA的等效噪聲帶寬內(nèi)，放大器的噪聲系數(shù)為 （4-11）將式（4-10）代入式（4-11）得 （4-12）將式（4-8）代入式（4-12）得 （4-13）式中，從圖4-2-1所示電路中測出、和的值，從而就可

31、以計(jì)算出放大器的噪聲系數(shù)。然后再調(diào)整正弦信號源的頻率，重復(fù)幾次上述的計(jì)算和測量和過程，就可以知道不同工作頻率處的噪聲系數(shù)。連續(xù)調(diào)整正弦信號源的和，還能測量繪制出放大器的噪聲因數(shù)等值圖（NF圖）。使上述計(jì)算得以簡化，目前有兩種方法：第一種辦法就是為了使放大器的輸出頻率大出第一步很多，在第二步測量中使正弦信號的幅度增加到足夠大，這樣式（4-13）就可以簡化 （4-14）在使用這種方法時(shí)，要注意正弦信號的幅度也不能太大，不能使被測放大器進(jìn)入非線性區(qū)。 第二種方法是在開關(guān)K打到B點(diǎn)所做的第二步測量中，通過調(diào)整正弦信號的幅度來使放大器輸出功率等于第一步測量時(shí)（K打到A點(diǎn)）的2倍，這時(shí)信號源的輸出功率就等

32、于放大器的等效輸入噪聲功率5，因此 （4-15）但是，在窄帶測量情況下，就把實(shí)現(xiàn)輸出功率調(diào)整到給定值變得有些麻煩。 第5章 應(yīng)用虛擬儀器軟件的仿真簡介虛擬儀器虛擬儀器（Virtual instruments 簡稱VI）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略的說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)的功能日益強(qiáng)大以及其體積的日益縮小，這種儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方法是儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要指這種方式。如圖5-1-1

33、示：圖5-1-1虛擬儀器方案圖虛擬儀器的主要特點(diǎn)有：盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。 可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，數(shù)據(jù)處理功能很強(qiáng)大，從而可以創(chuàng)造出比它功能更好的的儀器?？梢院芊矫娴母鶕?jù)自己的需要來制作儀器傳統(tǒng)儀器虛擬儀器技術(shù)更新比較慢技術(shù)更新較快維護(hù)花費(fèi)高維護(hù)花費(fèi)低期長硬件重要軟件重要價(jià)格高價(jià)格相對較低是固定的，不能被重新配可以重新配置連接有限的設(shè)備可以用網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備操作麻煩，功能簡單智能化 網(wǎng)絡(luò)化距離遠(yuǎn)表5-1-1 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較 目前“虛擬”儀器技術(shù)發(fā)展非常迅速，是目前國內(nèi)外測試技術(shù)界和儀器制造界十分關(guān)注的熱門話題。只要另外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可構(gòu)成由計(jì)算機(jī)

34、組成的測量儀器。上表示虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較。虛擬儀器的發(fā)展取決于三個(gè)重要因素。計(jì)算機(jī)是動(dòng)力，軟件是主宰，高質(zhì)量的采集卡及調(diào)理放大器與傳感器是基礎(chǔ)。軟件可以看作是各種儀器，因?yàn)檐浖到y(tǒng)是虛擬儀器的核心，虛擬儀器可以用相同的硬件系統(tǒng)，用不同的軟件來實(shí)現(xiàn)各種各樣的儀器。虛擬儀器VI測試系統(tǒng)的構(gòu)成框圖硬件構(gòu)成和軟件共同構(gòu)成了虛擬儀器VI測試系統(tǒng)的構(gòu)。如果根據(jù)構(gòu)成儀器的三大功能部件來，虛擬儀器的框圖可以包括控制系統(tǒng)、工業(yè)計(jì)測系統(tǒng)。如圖5-2-1所示： 圖 5-2-1 虛擬儀器結(jié)構(gòu)圖 圖中各種功能軟件是具有測試分析儀器功能的各種軟件。像人的大腦一樣處于主宰地位，典型的如中國的COINV的DASP和美國

35、NI的LabVIEW和美國HP的HPVEE（2）VI系統(tǒng)的最重要的兩個(gè)組成部分是傳感器和信號調(diào)理設(shè)備。因?yàn)樗鼈兪菧y試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，各種高質(zhì)量的調(diào)理放大器和高質(zhì)量的傳感器是測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)。信號調(diào)理SC（Singnal conditioning）具有諸多功能，比如、濾波，放大、多路復(fù)用（電荷放大、電壓放大、熱電偶、積微分、應(yīng)變橋路平衡、激勵(lì)電源和線性化），隔離。虛擬儀器系統(tǒng)的軟件主要是由、數(shù)據(jù)分析處理軟件、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和通用接口軟件。儀器控制軟件(3)數(shù)據(jù)采集卡主要核心是技術(shù)，它包括高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集卡和數(shù)模轉(zhuǎn)換器卡。超精確地即使能力是它們必不可少的，例如東方科卡，測試通道最少可為路、16路、32路，最多可以達(dá)1024路，它的精度能達(dá)到12位、16位、18位、甚至24位的水平。多路采集時(shí)必須能同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)無時(shí)差、無相移。計(jì)算機(jī)及附件包括：外掛內(nèi)置光盤硬盤驅(qū)動(dòng)器，32以上的內(nèi)存及快速打印機(jī)，各種高性能的計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的處理器及高性能高分辨率的顯示器等附件。虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)主要分為軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)，遵循虛擬儀器的設(shè)計(jì)要求，。數(shù)據(jù)采集卡是它的硬件。而自從NI公司提出虛擬儀器以來，與之陪伴就有LabView這一固定的虛擬儀器軟件。它通過建