隨著對準確度和精度越來越高的要求，微弱信號檢測技術已經在很多領域變得至關(guan) 重要，特別是在雷達、聲納、通信、工業(ye) 測量、機械係統的故障分析等領域。一些具體(ti) 的例子包括材料分析中熒光強度的測量，天文學中衛星信號的接收，以及地震學中地震波形和波速的測量。然而，檢測微弱信號是相當具有挑戰性的，因為(wei) 它通常淹沒在來自係統本身或來自外部環境的噪聲中。在本文中，我們(men) 將探討如何運用Moku鎖相放大器從(cong) 大量背景噪聲中恢複弱小信號。
隨著對準確度和精度越來越高的要求，微弱信號檢測技術已經在很多領域變得至關(guan) 重要，特別是在雷達、聲納、通信、工業(ye) 測量、機械係統的故障分析等領域。一些具體(ti) 的例子包括材料分析中熒光強度的測量，天文學中衛星信號的接收，以及地震學中地震波形和波速的測量。然而，檢測微弱信號是相當具有挑戰性的，因為(wei) 它通常淹沒在來自係統本身或來自外部環境的噪聲中。在本文中，我們(men) 將探討如何運用Moku鎖相放大器從(cong) 大量背景噪聲中恢複弱小信號。
鎖相放大器通常用於(yu) 提取非常小的振蕩信號，隔離出信號並濾除係統中的大部分不需要的噪聲。
以下通過簡單的位移測量演示鎖相放大器如何有效国产成人在线观看免费网站於(yu) 弱信號檢測，實驗設置如圖1所示。激光信號經過調幅後（以10MHz作為(wei) 調製頻率）被物體(ti) 反射並被光電探測器探測到。物體(ti) 位移的變化可以通過測量調幅信號的相位來確定。
Moku：Lab同時用於(yu) 生成調製信號（輸出2）和測量光電探測器上檢測到的信號（輸入1）。
圖1示例實驗的光學設置
我們(men) 將使用鎖相放大器來處理信號，並通過測量從(cong) 物體(ti) 反射的調幅信號的相位，進而可以確定其位移。我們(men) 通過兩(liang) 個(ge) 實驗來展示鎖相放大器的性能，一個(ge) 檢測強信號，另一個(ge) 檢測弱信號。
強信號測量
首先要了解我們(men) 期望從(cong) 這樣的係統測量什麽(me) 信號，我們(men) 首先使用高反射率物體(ti) 建立一個(ge) 係統。在這種情況下，我們(men) 使用鏡子。
為(wei) 了模擬運動物體(ti) ，將鏡子安裝在機械平台上，使其與(yu) 激光器的距離以2Hz的頻率正弦移動並且位移為(wei) 1cm。
光從(cong) 鏡子反射並在光電探測器上檢測到。
為(wei) 了獲取強信號產(chan) 生的強度（以及跟弱信號進行對比），我們(men) 可以首先在Moku：示波器上觀察10 MHz調製信號。
圖2 在Moku示波器上測量的強10 MHz信號
圖2顯示了從(cong) 光電探測器接收到的強烈、易觀測的信號。由於(yu) 信號強且可觀察，因此可以直接簡單地測量該信號的相位，並推斷出鏡子的位移變化。以上過程我們(men) 也可以通過使用鎖相放大器來直接提取相位實現。
圖3為(wei) 測量強信號Moku鎖相放大器設置
圖3顯示了Moku鎖相放大器的設置。在這種情況下，調製信號取自內(nei) 部本機振蕩器。然後，本機振蕩器將用於(yu) 解調輸入信號以獲得輸出1上的相位信號。
圖4 Moku鎖相放大器測量的相位信號
圖4顯示了使用鎖相放大器直接測量到的相位變化。正如預期的那樣，相位呈現大約2 Hz頻率的正弦變化（用於(yu) 驅動鏡子的信號），由此可以看出係統對鏡子位移的敏感性。
弱信號測量
在大多數情況下，物體(ti) 反射如此大量光線非常罕見。更常見的情況是，光將會(hui) 在物體(ti) 上朝許多方向上發生非常擴散的漫反射，導致在光電探測器處接收的光很弱。在這些弱信號係統中，信號的檢測不那麽(me) 明顯，需要使用的信號處理技術。
為(wei) 了證明這一點，我們(men) 再次設置實驗來檢測物體(ti) 位移的變化。然而，這一次，我們(men) 使用擴散紙。與(yu) 鏡子不同，從(cong) 紙張反射的光在朝多方向散射，因而在光電探測器上檢測到的微弱光被係統的電子噪聲覆蓋。該紙再次以2Hz的正弦驅動，並作為(wei) 模擬信號。
圖5 Moku示波器測量的10 MHz弱信號
我們(men) 再次使用Moku：示波器來查看光電探測器檢測到的10 MHz調製信號。圖5顯示了從(cong) 光電探測器接收的漫反射信號。與(yu) 鏡子的強反射不同，示波器上檢測到的信號與(yu) 噪聲無法區分。
但是，信號仍然存在，可以使用鎖相放大器進行恢複。首先，我們(men) 調整輸入端增益。在這種情況下，我們(men) 在前端選擇+48 dB的數字增益。該增益利用數字信號處理的方法增加了信號的強度。在此階段，信號和噪聲都增加，導致無SNR（信噪比）變化。
圖6 為(wei) 測量弱信號Moku鎖相放大器設置
現在該信號已經被調整到了鎖相放大器的動態範圍內(nei) ，從(cong) 而我們(men) 可以進一步消除噪聲。這個(ge) 可以通過調整鎖相放大器中的低通濾波器參數來完成。在這種情況下，將濾波器調整為(wei) 7 Hz - 剛好高於(yu) 2 Hz注入信號。這將從(cong) 測量中消除盡可能多的噪聲。圖6顯示了Moku鎖相放大器參數的設置。結果如圖7所示。
圖7 Moku鎖相放大器測量的相位信號
我們(men) 看到，該信號可以在測量中被清楚地觀察到。對於(yu) 測量中仍然存在的一些噪聲，並且可以通過降低低通濾波器截止頻率來進一步優(you) 化，從(cong) 而消除更多噪聲。總之，該實驗表明通過調整Moku鎖相放大器的一些關(guan) 鍵參數，我們(men) 能夠檢測出擴散物體(ti) 的位移。
Moku:Lab 鎖相放大器技術參數
概要
Moku:Lab數字鎖相放大器支持雙相解調(XY/RØ)頻率範圍DC-200MHz，動態儲(chu) 備高達100 dB。同時集成來雙通道示波器和數據記錄器，可以高達500 MSa/s采樣率實時觀測信號，並可以高達1MSa/s速率記錄數據。
主要特點
· 優(you) 於(yu) 80 dB動態儲(chu) 備
· 直觀的數字信號處理示意框圖
· 內(nei) 置探測點用於(yu) 信號監測和數據記錄
· 支持內(nei) 部和外部解調模式，包括PLL(鎖相環)
· 雙相解調
· 可切換矩形（X/Y）或極坐標（R/ θ）
· 內(nei) 置PID控製器
典型參數
· 解調頻率範圍：1 mHz 到200 MHz
· 頻率分辨率：3.55 μHz
· 相移精度：0.001°
· 輸入增益：-20 dB / 0 dB / + 24 dB / + 48 dB
· 輸入阻抗：50 Ω / 1 MΩ
· 可調時間常數：40 ns 到0.6 s
· 濾波器滾降斜率：6 dB/12 dB 倍頻程
· 輸出增益範圍：± 80 dB
· 本機振蕩器輸出頻率高達200 MHz，可調振幅
· 超快數據采集：快照模式高達500 MS/s，連續采集高達1MS/s
除了鎖相放大器，Moku:Lab還免費集成了示波器、頻譜分析儀(yi) 、波形發生器、相位表、數據記錄器、激光鎖頻/穩頻、PID控製器、波特分析儀(yi) 、數字濾波器、任意波形發生器、FIR濾波器生成器十二個(ge) 專(zhuan) 業(ye) 儀(yi) 器功能於(yu) 一台設備。
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