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

1工作原理1．1設(shè)計鎖相放大器應(yīng)用到的THz-TDS系統(tǒng)組成太赫茲-時域光譜儀系統(tǒng)主要由飛秒激光器、太赫茲的發(fā)射和探測元件、時間延遲控制系統(tǒng)(計算機控制)、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)動電場成正比的周期光生電流。赫茲探測器在不同時刻對太赫茲脈沖的電場強度進行取樣測量，可獲得與太赫茲脈沖電場強度成正比的微弱電信號，達毫伏級甚至微伏級，并淹沒在較大的噪聲中，通過鎖相放大器可提取出與THz脈沖電場強度成正比的微弱電信號［3－4］。本次設(shè)計的鎖相放大器可完成此功能，探測脈沖對太赫茲脈沖的電場進行取樣并記錄下太赫茲脈沖的時域波形。1．2互相關(guān)檢測原理鎖相放大電路由四部分組成:信號通道、參考通道、相敏檢測電路和低通濾波電路(見圖2)。信號通道對伴有噪聲的有用信號放大和初步選頻，參考通道提供與被測信號同頻同相的信號，相敏檢波(PSD)輸出信號再通過低通濾波器，最后得到直流分量Vout。圖2互相關(guān)檢測原理Fig．2Mutualcorrelationdetectionprinciple設(shè)伴有噪聲的輸入信號為:x(t)=s(t)+n(t)=Vscos(ω0t+θ)+n(t)(1)設(shè)參考信號r(t)是幅值為±Vr的方波，周期為T，角頻率為ω0=2πT，，方波周期信號可展開為傅里葉級數(shù)。輸入信號和參考信號經(jīng)相敏檢測器后兩信號的互相關(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)動電場成正比的周期光生電流。赫茲探測器在不同時刻對太赫茲脈沖的電場強度進行取樣測量，可獲得與太赫茲脈沖電場強度成正比的微弱電信號，達毫伏級甚至微伏級，并淹沒在較大的噪聲中，通過鎖相放大器可提取出與THz脈沖電場強度成正比的微弱電信號［3－4］。本次設(shè)計的鎖相放大器可完成此功能，探測脈沖對太赫茲脈沖的電場進行取樣并記錄下太赫茲脈沖的時域波形。1．2互相關(guān)檢測原理鎖相放大電路由四部分組成:信號通道、參考通道、相敏檢測電路和低通濾波電路(見圖2)。信號通道對伴有噪聲的有用信號放大和初步選頻，參考通道提供與被測信號同頻同相的信號，相敏檢波(PSD)輸出信號再通過低通濾波器，最后得到直流分量Vout。圖2互相關(guān)檢測原理Fig．2Mutualcorrelationdetectionprinciple設(shè)伴有噪聲的輸入信號為:x(t)=s(t)+n(t)=Vscos(ω0t+θ)+n(t)(1)設(shè)參考信號r(t)是幅值為±Vr的方波，周期為T，角頻率為ω0=2πT，方波周期信號可展開為傅里葉級數(shù)。輸入信號和參考信號經(jīng)相敏檢測器后兩信號的互相關(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)由于被測量的信號里所包含各種信號分量，參考信號r(t)的頻率只與輸入的有用信號頻率相關(guān)，與隨機噪聲n(t)的頻率不相關(guān)，且有用信號s(t)與隨機噪聲n(t)之間相互獨立，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均被濾除，只剩n=

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