微弱信号测量

这是本文档旧的修订版！

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。

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？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？

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 $U=U_{max}/sqrt{2}=U_{pp}/(2sqrt{2})$
- 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

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。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实验
- 产生不同信噪比的信号并进行测量，注意需要实测噪声的有效值，然后调节合适的输入信号大小。
- 同时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实验
- 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？
电阻热噪声测量试验
- 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10000以上
- 不同电阻的热噪声测量值和理论值是否相符？
- 实验内容：研究不同带宽的影响；采样点的影响及热噪声统计分布；测量不同电阻的热噪声并计算k；不同时间常数的影响；采样间隔和采样点数的影响；实验值的不确定度。
- 【注意】适时清除数据缓存区！

【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。