【摘要】：為了解決太赫茲時(shí)域光譜儀(TDS)所用鎖相放大器方便攜帶和提取與太赫茲波電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)微弱信號(hào)的問題,提出了一種基于互相關(guān)原理的鎖相放大器設(shè)計(jì)方案。斬波器輸出調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大濾波與通過移相電路的相干參考信號(hào)分別送入AD630的信號(hào)端和參考端,鎖相后信號(hào)經(jīng)低通濾波電路輸出直流信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的鎖相放大器具有良好線性度,可將信噪比為-60 d B的微伏級(jí)信號(hào)提取出來,能用于大背景噪聲下太赫茲微弱信號(hào)的檢測(cè)。
【圖文】：

1工作原理1．1設(shè)計(jì)鎖相放大器應(yīng)用到的THz-TDS系統(tǒng)組成太赫茲-時(shí)域光譜儀系統(tǒng)主要由飛秒激光器、太赫茲的發(fā)射和探測(cè)元件、時(shí)間延遲控制系統(tǒng)(計(jì)算機(jī)控制)、泵浦光斬波器和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)鎖相放大器等組成(見圖1)。圖1THz-TDS系統(tǒng)組成框圖Fig．1THz-TDSsystemcomponentblockdiagram來自超快飛秒激光器的具有飛秒脈寬的激光脈沖被分為兩路，一路作為泵浦光激發(fā)THz發(fā)射元件產(chǎn)生THz輻射波，另一路作為探測(cè)光與THz脈沖匯合共線后通過光電導(dǎo)元件可產(chǎn)生與THz驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)成正比的周期光生電流。赫茲探測(cè)器在不同時(shí)刻對(duì)太赫茲脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行取樣測(cè)量，可獲得與太赫茲脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的微弱電信號(hào)，達(dá)毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)，并淹沒在較大的噪聲中，通過鎖相放大器可提取出與THz脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的微弱電信號(hào)［3－4］。本次設(shè)計(jì)的鎖相放大器可完成此功能，探測(cè)脈沖對(duì)太赫茲脈沖的電場(chǎng)進(jìn)行取樣并記錄下太赫茲脈沖的時(shí)域波形。1．2互相關(guān)檢測(cè)原理鎖相放大電路由四部分組成:信號(hào)通道、參考通道、相敏檢測(cè)電路和低通濾波電路(見圖2)。信號(hào)通道對(duì)伴有噪聲的有用信號(hào)放大和初步選頻，參考通道提供與被測(cè)信號(hào)同頻同相的信號(hào)，相敏檢波(PSD)輸出信號(hào)再通過低通濾波器，最后得到直流分量Vout。圖2互相關(guān)檢測(cè)原理Fig．2Mutualcorrelationdetectionprinciple設(shè)伴有噪聲的輸入信號(hào)為:x(t)=s(t)+n(t)=Vscos(ω0t+θ)+n(t)(1)設(shè)參考信號(hào)r(t)是幅值為±Vr的方波，周期為T，角頻率為ω0=2πT，，方波周期信號(hào)可展開為傅里葉級(jí)數(shù)。輸入信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)相敏檢測(cè)器后兩信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為:Ｒst(τ)=limT→∞12T∫T－T［r(t)x(t－τ)］dt=2VsVrπ∑∞n=1(－1)n+12

柀Hz脈沖匯合共線后通過光電導(dǎo)元件可產(chǎn)生與THz驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)成正比的周期光生電流。赫茲探測(cè)器在不同時(shí)刻對(duì)太赫茲脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行取樣測(cè)量，可獲得與太赫茲脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的微弱電信號(hào)，達(dá)毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)，并淹沒在較大的噪聲中，通過鎖相放大器可提取出與THz脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的微弱電信號(hào)［3－4］。本次設(shè)計(jì)的鎖相放大器可完成此功能，探測(cè)脈沖對(duì)太赫茲脈沖的電場(chǎng)進(jìn)行取樣并記錄下太赫茲脈沖的時(shí)域波形。1．2互相關(guān)檢測(cè)原理鎖相放大電路由四部分組成:信號(hào)通道、參考通道、相敏檢測(cè)電路和低通濾波電路(見圖2)。信號(hào)通道對(duì)伴有噪聲的有用信號(hào)放大和初步選頻，參考通道提供與被測(cè)信號(hào)同頻同相的信號(hào)，相敏檢波(PSD)輸出信號(hào)再通過低通濾波器，最后得到直流分量Vout。圖2互相關(guān)檢測(cè)原理Fig．2Mutualcorrelationdetectionprinciple設(shè)伴有噪聲的輸入信號(hào)為:x(t)=s(t)+n(t)=Vscos(ω0t+θ)+n(t)(1)設(shè)參考信號(hào)r(t)是幅值為±Vr的方波，周期為T，角頻率為ω0=2πT，方波周期信號(hào)可展開為傅里葉級(jí)數(shù)。輸入信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)相敏檢測(cè)器后兩信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為:Ｒst(τ)=limT→∞12T∫T－T［r(t)x(t－τ)］dt=2VsVrπ∑∞n=1(－1)n+12n－1cos［(2n－2)ω0τ－θ］+2VsVrπ∑∞n=1(－1)n+12n－1cos(2nω0τ+θ)+Ｒnr(τ)(2)由于被測(cè)量的信號(hào)里所包含各種信號(hào)分量，參考信號(hào)r(t)的頻率只與輸入的有用信號(hào)頻率相關(guān)，與隨機(jī)噪聲n(t)的頻率不相關(guān)，且有用信號(hào)s(t)與隨機(jī)噪聲n(t)之間相互獨(dú)立，所以它們的相關(guān)函數(shù)為零，即Ｒnr(τ)=0。經(jīng)LPF的濾波后，n＞1的差頻及所有的和頻項(xiàng)均被濾除，只剩n=

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2 董磊,馬維光,尹王保,李昌勇,賈鎖堂;利用數(shù)字鎖相放大器對(duì)甲烷氣體進(jìn)行諧波探測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究[J];光譜學(xué)與光譜分析;2005年03期

3 楊治湘;;光學(xué)膜厚控制技術(shù)——鎖相微分極值法的探討[J];應(yīng)用光學(xué);1986年06期

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6 ;[J];;年期

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