微弱信号测量
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由于本实验偏向于学习仪器的使用,因此视频主要简单介绍原理。
【物理实验(下)微弱信号测量】 https://www.bilibili.com/video/BV14j411P7nq/?share_source=copy_web&vd_source=25260e7e3b69357310410618bc8a20aa
实验的目的、意义和要求
- 了解微弱信号的特点以及锁相放大器的原理。
- 学会锁相放大器的基本使用。
- 利用锁相放大器完成微弱信号的测量。
实验前的思考
关于原理
- 什么是微弱信号?哪些实验领域中需要检查微弱信号?为什么检测难度较大?
- 常有哪些技术手段可以用于测量微弱信号?
- 锁相放大的基本原理是什么?为什么需要参考信号?
- 外部参考和内部参考的含义?能不能用信号发生器A作为参考信号,测量信号发生器B作为信号源产生的微弱信号?
- 待测信号的幅值和相位怎么计算得到?
- 方波傅里叶分解?如果是三角波呢?
- 噪声的有效值?统计分布特征?
- 带宽的含义?
关于实验
- 仪器各参数的效果?
- 什么是db/Oct?有什么作用?
- 噪声中的微弱信号实验中,实际上噪声有多大?如何设计实验,定性展示不同信噪比下的波形,以及示波器和锁相的测量结果?
- 测量方波的谐波时,为什么要用锁相自带的信号发生器?用外接信号发生器可以实验吗?
- 参数设置对噪声测量的影响?设计实验验证你的想法,并找到合适测量的实验参数。
实验后的拓展思考
- 数值模拟:通过软件给出白噪声,模拟采样的过程,说明为什么实验参数的不同会给出不同的实验结果。
实验室可提供的主要器材
- 锁相放大器:通用型双相数字锁相放大器OE1022型(中山大学)
【注意】- 使用电压模式时,输入最大不能大于 1 Vrms(即有效值1V)。有效值
- 发生前级溢出【Overload: INPUT NONE】时,应立即减小输入幅值(如信号发生器的输出幅值)。输入端峰值高于1.7V或谷值低于-1.7V时会发生前级溢出。
- 发生放大溢出【Overload: NONE GAIN】时,应立即调节灵敏度值。默认灵敏度值为100 mV。
- 恢复默认状态:SAVE RECALL- Recall- Channel: Default- Execute: Yes
- 通过面板上两个BNC通道CH1和CH2输出时,当信号为R、X、Y时,输出信号满足公式
- 锁相放大器教学实验箱
- 示波器
实验内容
补课期间安排:
- 第一次:熟悉锁相放大器的基本使用、强噪声背景下检测弱信号、微弱信号多谐波测量
- 第二次:电阻热噪声测量
实验内容
- 熟悉锁相放大器的基本使用
- 调节并了解灵敏度、时间常数、滤波器陡降、动态储备的意义。特别是dB/oct的含义。
- 观察并记录R、θ、X、Y的波形及数值变化。
- 强噪声背景下检测弱信号
- 记录示波器上的波形和测量值,以方便比较。
【注意】如果显示溢出“Overload”,应立即减小输入幅值(如果是前级溢出),或调节灵敏度值(如果是放大溢出)。 - 如果对相同的信噪比信号,采用不同的时间常数、陡降,对输出信号有何影响?
- 微弱信号多谐波测量
- 理想方波的傅里叶展开式是什么?谐波的有效值与峰峰值如何转换?
- (选做)如果信号源不用锁相,用另外的信号发生器,能不能做这个实验?
- (选做)如果给定的不是方波,而是三角波,是否可测?
- 电阻热噪声测量
- 电阻热噪声的理论公式是什么?
- 噪声应该如何计算?为什么需要测量一段时间,而不能直接读取R值?采样点数和采样间隔对数据有何影响?——建议采样点5000
- 不同电阻的热噪声测量值和理论值是否相符?
- 实验内容:
- week3:选择合适参数,测量不同电阻的热噪声,并计算k
- 选做内容:
- 研究不同带宽的影响;
- 采样参数对实验结果的影响;
- 实验值的不确定度。
- 【注意】适时清除数据缓存区!
- 热噪声实验需用到电脑端软件
- 建议阅读仪器用户使用手册 第6章,软件使用
- 简易视频
【选做】
- 微小阻抗测量实验
- 四线法的原理是什么?比普通两引线法有何优势?(Four-terminal sensing)
- 测量微小电阻的阻抗。注:需手动测量,不使用测量程序LCR_TOP.vi,下同。请考虑频率间隔如何设定?
- 测量微小电容的阻抗。请考虑频率间隔如何设定?
- 变容二极管结电容测量实验
- 什么是势垒电容、扩散电容?在正向和反向偏置有何差别?
- 测量结电容与偏置电压的关系。
【注意】反偏电压变化范围为1 V- 7.9 V,不超过8 V。
【特别提醒】:教学实验箱侧面有开关
内容更新
实验资料
- 仪器用户使用手册建议阅读第6章,软件使用
- 基于数字锁相放大器测量电阻热噪声_贾莲莲.pdf—— 注:表2中的噪声理论值单位应为nV/sqrt(Hz),感谢王越希同学
- 一个关于热噪声的国外仪器网站,可以参考里面“Additional Resources”栏目。
- 参考书目:《微弱信号检测》高晋占,清华大学出版社。