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为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力

发布时间:2022-04-15      点击次数:432
  锁相放大器不容易受到噪声影响的原因,是因为很好地利用了噪声(白噪声)与目的信号(正弦波)之间在性质上的差别。在这里,我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质,一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力。
  1、平坦的频谱
  在宽阔的频率范围内,该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。
  2、随着频带宽度不同测量电压会改变
  在用毫伏计测量白噪声时,得到的测量值和白噪声所具有的频谱带宽(BandWidth: B.W.)的平方根以及电平成比例。测量得到的电压值,与下图中的浅蓝色部分的面积成比例。
  即使对于同样的噪声,如果用带通滤波器(BPF)来限制所通过的频带,那么测量所得的电压值就会不同。
  把测量所得的噪声电压(Vrms),除以频带宽度的平方根,就得到用表示噪声大小的单位、也即称作噪声电压密度(V/√Hz)来衡量的值。频道宽度如果缩小到1/100,那么测量所得的噪声电压就缩小到1/10。
  3、频谱非常集中
  1kHz正弦波信号的频谱,只存在于1kHz的位置,其他地方的频谱的电平都为零。
  4、与频带宽度无关,测量所得电压保持一定的值
  因为频谱是集中分布的,所以不受频带宽度的影响,测量所得的电压保持一定的值。但是,必须要使信号频率存在于所取的频带之内。用交流电压表所测量的电压值,与频带宽度无关,是上图中的V。那么,在正弦波上叠加了白噪声以后会怎么样呢?
  即使白噪声与正弦波进行加法运算所得的信号,测量所得的电压对于频带宽度所具有的各种性质也不会有变化。所以,当带通滤波器的频带宽度变狭窄时,就会有以下结果:
  想要测量的信号的电平不变;白噪声的强度减小;交流声等频率不同的成分也当然被削弱。
  从以上这些结果可知,为了测量被噪声所掩埋的信号,应该将带通滤波器的频带宽度变窄。如果将频带宽度缩小到1/N,那么噪声就减小到1/√N,而信号却不改变,其结果SN比(信噪比)改善为1/√N。
  但是,这样的带通滤波器也是有一个限度的。为了说明锁相放大器利用了噪声与目的信号所具有的不同性质,所以不容易受到噪声的影响」,前面已解说了以下几个要点:
  噪声(白噪声)的性质;正弦波的性质;从白噪声与正弦波合成的信号中,使用带通滤波器可以使目的信号(正弦波)从噪声中浮现出来。
  5、使通带变狭窄的限度
  使用带通滤波器只让想要测量的频率信号通过,可以抑制噪声,让目的信号浮现出来。但是,使带通滤波器的通带宽度变窄,这也是有限度的。
  在带通滤波器中,中心频率与通带宽度的比值称作Q值,作为衡量带通滤波器的滤波尖锐程度的一项指标来使用。
  Q值越大,通带宽度就越窄,抑制噪声的能力就越强。但是,一般的滤波器所能够实现的Q值,大约在100左右。对于1kHz的中心频率,相应的通带宽度的限界大约在10Hz左右。Q值不能任意增大的原因,在于组成滤波器的零部件的精确度和时间/温度的稳定性是有限的。