太赫兹测试系统中锁相放大电路的设计
发布时间：2020-02-10 19:53
【摘要】：为了解决太赫兹时域光谱仪(TDS)所用锁相放大器方便携带和提取与太赫兹波电场强度相关微弱信号的问题,提出了一种基于互相关原理的锁相放大器设计方案。斩波器输出调制后的信号经前级放大滤波与通过移相电路的相干参考信号分别送入AD630的信号端和参考端,锁相后信号经低通滤波电路输出直流信号。测试结果表明:设计的锁相放大器具有良好线性度,可将信噪比为-60 d B的微伏级信号提取出来,能用于大背景噪声下太赫兹微弱信号的检测。
【图文】：
1工作原理1．1设计锁相放大器应用到的THz-TDS系统组成太赫兹-时域光谱仪系统主要由飞秒激光器、太赫兹的发射和探测元件、时间延迟控制系统(计算机控制)、泵浦光斩波器和数据采集与处理系统锁相放大器等组成(见图1)。图1THz-TDS系统组成框图Fig．1THz-TDSsystemcomponentblockdiagram来自超快飞秒激光器的具有飞秒脉宽的激光脉冲被分为两路，一路作为泵浦光激发THz发射元件产生THz辐射波，另一路作为探测光与THz脉冲汇合共线后通过光电导元件可产生与THz驱动电场成正比的周期光生电流。赫兹探测器在不同时刻对太赫兹脉冲的电场强度进行取样测量，可获得与太赫兹脉冲电场强度成正比的微弱电信号，达毫伏级甚至微伏级，并淹没在较大的噪声中，通过锁相放大器可提取出与THz脉冲电场强度成正比的微弱电信号［3－4］。本次设计的锁相放大器可完成此功能，探测脉冲对太赫兹脉冲的电场进行取样并记录下太赫兹脉冲的时域波形。1．2互相关检测原理锁相放大电路由四部分组成:信号通道、参考通道、相敏检测电路和低通滤波电路(见图2)。信号通道对伴有噪声的有用信号放大和初步选频，参考通道提供与被测信号同频同相的信号，相敏检波(PSD)输出信号再通过低通滤波器，最后得到直流分量Vout。图2互相关检测原理Fig．2Mutualcorrelationdetectionprinciple设伴有噪声的输入信号为:x(t)=s(t)+n(t)=Vscos(ω0t+θ)+n(t)(1)设参考信号r(t)是幅值为±Vr的方波，周期为T，角频率为ω0=2πT，，方波周期信号可展开为傅里叶级数。输入信号和参考信号经相敏检测器后两信号的互相关函数为:Ｒst(τ)=limT→∞12T∫T－T［r(t)x(t－τ)］dt=2VsVrπ∑∞n=1(－1)n+12
柀Hz脉冲汇合共线后通过光电导元件可产生与THz驱动电场成正比的周期光生电流。赫兹探测器在不同时刻对太赫兹脉冲的电场强度进行取样测量，可获得与太赫兹脉冲电场强度成正比的微弱电信号，达毫伏级甚至微伏级，并淹没在较大的噪声中，通过锁相放大器可提取出与THz脉冲电场强度成正比的微弱电信号［3－4］。本次设计的锁相放大器可完成此功能，探测脉冲对太赫兹脉冲的电场进行取样并记录下太赫兹脉冲的时域波形。1．2互相关检测原理锁相放大电路由四部分组成:信号通道、参考通道、相敏检测电路和低通滤波电路(见图2)。信号通道对伴有噪声的有用信号放大和初步选频，参考通道提供与被测信号同频同相的信号，相敏检波(PSD)输出信号再通过低通滤波器，最后得到直流分量Vout。图2互相关检测原理Fig．2Mutualcorrelationdetectionprinciple设伴有噪声的输入信号为:x(t)=s(t)+n(t)=Vscos(ω0t+θ)+n(t)(1)设参考信号r(t)是幅值为±Vr的方波，周期为T，角频率为ω0=2πT，方波周期信号可展开为傅里叶级数。输入信号和参考信号经相敏检测器后两信号的互相关函数为: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)由于被测量的信号里所包含各种信号分量，参考信号r(t)的频率只与输入的有用信号频率相关，与随机噪声n(t)的频率不相关，且有用信号s(t)与随机噪声n(t)之间相互独立，所以它们的相关函数为零，即Ｒnr(τ)=0。经LPF的滤波后，n＞1的差频及所有的和频项均被滤除，只剩n=
本文编号：2578235
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1工作原理1．1设计锁相放大器应用到的THz-TDS系统组成太赫兹-时域光谱仪系统主要由飞秒激光器、太赫兹的发射和探测元件、时间延迟控制系统(计算机控制)、泵浦光斩波器和数据采集与处理系统锁相放大器等组成(见图1)。图1THz-TDS系统组成框图Fig．1THz-TDSsystemcomponentblockdiagram来自超快飞秒激光器的具有飞秒脉宽的激光脉冲被分为两路，一路作为泵浦光激发THz发射元件产生THz辐射波，另一路作为探测光与THz脉冲汇合共线后通过光电导元件可产生与THz驱动电场成正比的周期光生电流。赫兹探测器在不同时刻对太赫兹脉冲的电场强度进行取样测量，可获得与太赫兹脉冲电场强度成正比的微弱电信号，达毫伏级甚至微伏级，并淹没在较大的噪声中，通过锁相放大器可提取出与THz脉冲电场强度成正比的微弱电信号［3－4］。本次设计的锁相放大器可完成此功能，探测脉冲对太赫兹脉冲的电场进行取样并记录下太赫兹脉冲的时域波形。1．2互相关检测原理锁相放大电路由四部分组成:信号通道、参考通道、相敏检测电路和低通滤波电路(见图2)。信号通道对伴有噪声的有用信号放大和初步选频，参考通道提供与被测信号同频同相的信号，相敏检波(PSD)输出信号再通过低通滤波器，最后得到直流分量Vout。图2互相关检测原理Fig．2Mutualcorrelationdetectionprinciple设伴有噪声的输入信号为:x(t)=s(t)+n(t)=Vscos(ω0t+θ)+n(t)(1)设参考信号r(t)是幅值为±Vr的方波，周期为T，角频率为ω0=2πT，，方波周期信号可展开为傅里叶级数。输入信号和参考信号经相敏检测器后两信号的互相关函数为:Ｒst(τ)=limT→∞12T∫T－T［r(t)x(t－τ)］dt=2VsVrπ∑∞n=1(－1)n+12
柀Hz脉冲汇合共线后通过光电导元件可产生与THz驱动电场成正比的周期光生电流。赫兹探测器在不同时刻对太赫兹脉冲的电场强度进行取样测量，可获得与太赫兹脉冲电场强度成正比的微弱电信号，达毫伏级甚至微伏级，并淹没在较大的噪声中，通过锁相放大器可提取出与THz脉冲电场强度成正比的微弱电信号［3－4］。本次设计的锁相放大器可完成此功能，探测脉冲对太赫兹脉冲的电场进行取样并记录下太赫兹脉冲的时域波形。1．2互相关检测原理锁相放大电路由四部分组成:信号通道、参考通道、相敏检测电路和低通滤波电路(见图2)。信号通道对伴有噪声的有用信号放大和初步选频，参考通道提供与被测信号同频同相的信号，相敏检波(PSD)输出信号再通过低通滤波器，最后得到直流分量Vout。图2互相关检测原理Fig．2Mutualcorrelationdetectionprinciple设伴有噪声的输入信号为:x(t)=s(t)+n(t)=Vscos(ω0t+θ)+n(t)(1)设参考信号r(t)是幅值为±Vr的方波，周期为T，角频率为ω0=2πT，方波周期信号可展开为傅里叶级数。输入信号和参考信号经相敏检测器后两信号的互相关函数为: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)由于被测量的信号里所包含各种信号分量，参考信号r(t)的频率只与输入的有用信号频率相关，与随机噪声n(t)的频率不相关，且有用信号s(t)与随机噪声n(t)之间相互独立，所以它们的相关函数为零，即Ｒnr(τ)=0。经LPF的滤波后，n＞1的差频及所有的和频项均被滤除，只剩n=
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