用于对锁相放大器进行测试的测试仪及其测试方法

摘要

本发明公开了一种用于对锁相放大器进行测试的测试仪及测试方法。包括：输入接口，接收用户输入的可调的信号参数；信号发生器，根据信号参数生成具有相同的频率、相位和模式的第一和第二信号；白噪声发生器，根据信号参数生成白噪声信号；信号过滤器，从白噪声信号中去除与第一信号的频率相对应的分量以获得经滤除噪声信号；信号合成器，将第一信号与经滤除噪声信号合成为合成信号；测试时，将合成信号作为待测试信号以及将第二信号作为参考信号输入至锁相放大器。本发明的测试仪发出的测试信号不是简单的信号与噪声的叠加，而是信号与不含被测信号频率的噪声的叠加，降低了测量目标信号为零时的背低测量信号，保证了测试结果的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及电子测量与信号分析技术领域，尤其是涉及一种用于对锁相放 大器进行测试的测试仪及其测试方法。

背景技术

随着信息时代的到来，许多科学研究、工程技术的信息需要用检测的手段 来获取。当所需要测量的信号非常微弱时，常常就会被淹没在噪声中，要从其 中提取有用信号就会变得异常艰难。对于这类的信号，传统的检测方法已经不 再适用，因此，微弱信号检测(Weak signal detection)就应运而生。它是利用 近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号的一门新兴的技术学科，它 是测量技术中的综合技术和尖端领域。

在微弱信号检测领域里，锁相放大器(Lock-in Amplifier，LIA)一直扮 演着十分重要的角色。它在微弱信号检测方面显示出优异的性能，它具有中心 频率稳定、通频带窄、品质因数高等优点，在许多领域里都得到了广泛的应用。 例如电子光谱测量、单苝纳米的非线性吸收光谱分析、激光频率稳定性分析、 电光调制器的偏置电压漂移的稳定性分析、传感器应用、甲烷谐波检测、微波 成像、互感测量、宽带电磁测量等等，极大地推动了地震、海洋、天文学、物 理化学、生物医学等行业的发展。

“毫伏计”是一般的交流电压表，“锁相放大器”是一种专门测量微小信号的 (特殊的)交流电压表。锁相放大器所检测的对象，是采用普通的方法所检测 不到的微弱信号，例如微电压、微电流、微电导、微流量、微振动、微压差、 微温差以及弱光、弱磁和弱声等。不过通常情况下，都是将这些微弱量通过传 感器转换成电信号来进行测量。微弱信号是指那些有用信号完全淹没在噪声之 中的信号或者有用信号本身幅度绝对值很小。

锁相放大器在与微弱交流信号测量相关的技术领域中几乎是必备的仪器， 它的主要功能是可实现噪声非常强的情况下微弱交流信号的准确测量。关于锁 相放大器的测试，虽然有与其他电子仪器通用的测试方法如外观测试、电磁兼 容测试、稳定性测试等，然而针对锁相放大器独有的性能的如宽频交流低信噪 比信号的测量精准度目前在国际上尚缺乏有效的测试手段。

随着科学技术的发展，对这些微弱信号进行提取、检测和分析，是探索及 发现新的自然规律、推动相关领域的发展具有重大意义。因此，微弱信号检测 领域中的锁相放大器的作用就显得越来越重要，应用领域越来越多。因此，设 计性能好、成本低的锁相放大器意义非常重大。并且，锁相放大器测试仪的缺 乏也严重制约着锁相放大器的生产制造、贸易、传输及应用全过程中的质量控 制，从而影响到从锁相放大器获得的所有弱信号测量结果的可靠性。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种用于对锁相放大器进行测试的测试仪及其测 试方法，该测试仪发出的测试信号不是简单的信号与噪声的叠加，而是信号与 不含被测信号频率的噪声的叠加，从而降低了测量目标信号为零时的背低测量 信号，保证了测试结果的准确性。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于对锁相放大 器进行测试的测试仪，包括：输入接口，用于接收用户输入的可调的信号参数； 信号发生器，用于根据信号参数生成第一信号和第二信号，第一信号和第二信 号具有相同的频率、相位和模式；白噪声发生器，用于根据信号参数生成白噪 声信号；信号过滤器，用于从白噪声信号中去除与第一信号的频率相对应的分 量，以获得经滤除噪声信号；信号合成器，用于将第一信号与经滤除噪声信号 合成为一合成信号；其中，在对锁相放大器进行测试时，将合成信号作为待测 试信号以及将第二信号作为参考信号输入至锁相放大器。

进一步地，第一信号和第二信号为从同一信号中分出的两路。

进一步地，信号过滤器包括带阻滤波器或陷波器。

进一步地，信号过滤器包括：锁相测量器，用于测量白噪声信号中与第一 信号的频率相对应的分量的幅度和相位；陷波器，用于根据分量的幅度和相位 对白噪声信号进行陷波处理，以获得经陷波信号；逻辑判断单元，用于判断经 陷波信号中的分量是否被衰减到了预定水平；其中，在经陷波信号中的分量被 衰减到了预定水平的情况下，经陷波信号作为经滤除噪声信号输出；在经陷波 信号中的分量未被衰减到预定水平的情况下，经陷波信号被送回至锁相测量器 和陷波器作为白噪声信号再次进行所述陷波处理。

进一步地，信号参数包括第一信号与白噪声信号的能量信噪比或幅度信噪 比、第一信号的频率、相位和模式，白噪声信号的模式、合成信号的幅度。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于对锁相放大器进行测试的方 法，包括以下步骤：接收用户输入的可调信号参数；根据信号参数生成第一信 号和第二信号，第一信号和第二信号具有相同的频率、相位和模式；根据信号 参数生成白噪声信号；从白噪声信号中去除与第一信号的频率相对应的分量， 以获得经滤除噪声信号；将第一信号与经滤除噪声信号合成为一合成信号；其 中，在对锁相放大器进行测试时，将合成信号作为待测试信号以及将第二信号 作为参考信号输入至锁相放大器。

进一步地，第一信号和所述第二信号为从同一信号中分出的两路。

进一步地，从白噪声信号中去除与第一信号的频率相对应的分量，以获得 经滤除噪声信号的步骤包括：对白噪声信号中与第一信号的频率相对应的分量 的幅度和相位进行测量；根据分量的幅度和相位对白噪声信号进行陷波处理， 以获得经陷波信号；和判断经陷波信号中的分量是否被衰减到了预定水平；其 中，在经陷波信号中的分量被衰减到了预定水平的情况下，经陷波信号作为经 滤除噪声信号输出；在经陷波信号中的分量未被衰减到预定水平的情况下，经 陷波信号被送回再次进行陷波处理。

进一步地，信号参数包括第一信号与白噪声信号的能量信噪比或幅度信噪 比、第一信号的频率、相位和模式，白噪声信号的模式、合成信号的幅度。

应用本发明的技术方案，采用该锁相放大器测试仪进行测试，其创新之处 在于测试信号不是简单的信号与噪声的叠加，而是信号与不含被测信号频率的 噪声的叠加，降低了测量目标信号为零时的背低测量信号，从而保证测试结果 的准确性。本发明的创新之处还在于设计了锁相放大器的信噪比提升性能的测 试方法，该方法能控制输入到被测锁相放大器的测试信号的信噪比，并使用统 计的方法测量从锁相放大器输出信号的信噪比，从而保证信噪比提升性能测试 结果的准确性。与现有的锁相放大器测试方法相比，本发明所提供的测试方法 可以测试锁相放大器在不同频率、信噪比等条件下的信号幅度、相位及信噪比 提升等测量性能。本发明可以被用于锁相放大器的制造、传输或使用过程中的 质量控制。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会 更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体 实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术 人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为本发明的一个实施例中用于对锁相放大器进行测试的测试仪的流程 框图；

图2为本发明的一个实施例中用于对锁相放大器进行测试的流程框图；

图3为根据本发明一个实施例中信号过滤器的结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例中多阶锁相陷波原理示意图；

图5为根据本发明一个典型实施例的陷波阶数对陷波效果影响的示意图；

图6为根据本发明一个实施例中陷波前后测试信号的噪声分量信号的时域 谱对照图；

图7为根据本发明一个实施例中陷波前后测试信号的噪声分量信号的频谱 对照图；

图8为1实施例1中改变测量频率在典型应用参数条件下对某商用锁相放 大器的测量幅度及相位测量准确性测试结果；以及

图9为实施例2中改变信噪比在典型应用参数条件下对某商用锁相放大器 的测量幅度测量准确性及信噪比提升性能测试结果。

具体实施方式

如图1所示，在本发明的一个典型实施例中，用于对锁相放大器106进行 测试的测试仪包括输入接口101、信号发生器102、白噪声发生器103和信号 合成器105。其中，输入接口101用于接收用户输入的可调的信号参数。具体 地，信号参数包括第一信号与白噪声信号的能量信噪比或幅度信噪比、第一信 号的频率、相位和模式或者说波形，白噪声信号的模式或者说波形、合成信号 的幅度。

信号发生器102在接收到信号参数后，一方面根据信号参数生成第一信号 和第二信号，同时将参数信号同时输送至白噪声发生器103，白噪声发生器103 根据信号参数生成白噪声信号。在本发明的一个实施例中，第一信号和第二信 号可以是从同一信号中分出的两路。优选地，第一信号和第二信号具有相同的 频率、相位和模式。

从白噪声发生器103中生成的白噪声信号被输送至信号过滤器104，这样 信号过滤器104将白噪声信号中所含的与第一信号的频率相对应的分量去除， 从而获得经滤除噪声信号。第一信号与经滤除噪声信号在信号合成器105中合 成为一合成信号。这样，在对锁相放大器106进行测试时，将合成信号作为待 测试信号以及将第二信号作为参考信号输入至锁相放大器106。

图2为对锁相放大器进行测试的流程框图。下面结合图1中所示的结构对 锁相放大器进行测试的步骤进行详细描述：通过输入接口101接收用户输入的 可调的信号参数，该信号参数包括第一信号与白噪声信号的能量信噪比或幅度 信噪比、第一信号的频率、相位和模式或者说波形，白噪声信号的模式或者说 波形、合成信号的幅度。如图2所述，具体包括：步骤S201，输入预设信噪比 SNR、频率f、模式、幅度A₀与相位ф₀；步骤S202，设定锁相工作条件；步 骤S203，对锁相放大器106进行测试，然后读取幅度A₁与相位ф₁，进而计算 信噪比提升；步骤S204，判断测试是否完毕，如果测试完毕，则输出幅度随设 定条件的依赖关系、输出信噪比提升与设定条件的关系以及相位随设定条件的 依赖关系；如果测试未完毕，则返回步骤S205，重新设定测试条件。这样用于 对锁相放大器测试的仪器会重新接收用户设定的信号参数，信号发生器102接 收到信号参数后产生第一信号和第二信号。白噪声发生器103接收到信号参数 后产生白噪声信号，并将其输送至信号过滤器104中的陷波器108中进行陷波 处理，即从白噪声信号中去除与第一信号的频率相对应的分量，以获得经滤除 噪声信号。经陷波处理得到的经滤除噪声信号与信号发生器102中产生的第一 信号在信号合成器105合成一合成信号，并将该合成信号作为待测试信号以及 将第二信号作为参考信号输入至锁相放大器。并作为测试信号输入至被测锁相 放大器中继续测试。优选地，第一信号和第二信号可以为从同一信号中分出的 两路，并且第一信号和第二信号可以具有相同的频率、相位和模式或者说波形。

本发明的合成信号的一个特征是噪声信号并非普通的白噪声，而是经过多 阶陷波处理的白噪声。之所以要进行陷波处理，是因为白噪声中本身包含一定 量的被测信号频率的信号分量，这对微弱信噪比信号测量来说影响不可忽略， 为了保证测试结果的准确性，噪声中被测频率部分能量需要予以消减。在本发 明中，信号过滤器104可以包含带阻滤波器或陷波器108，因此可以采用带阻 滤波器或陷波器108对被测频率部分能量进行消减。

图3为信号过滤器104的结构示意图，可以看出，信号过滤器104包括锁 相测量器107、陷波器108和逻辑判断单元109。图4为在本发明的一个实施 例中多阶锁相陷波原理示意图。下面结合图4对信号过滤器104的工作原理进 行说明。原始输入信号如白噪声信号被输入至锁相测量器107，该锁相测量器 107测量白噪声信号中与第一信号的频率相对应的分量的幅度和相位。处理后 的分量的幅度和相位被输送至陷波器108中，陷波器108根据分量的幅度和相 位对白噪声信号进行陷波处理，以获得经陷波信号。逻辑判断单元109用于判 断经陷波信号中的分量是否达到设定陷波阶数，即是否被衰减到了预定水平。 如果达到了设定陷波阶数，则输出经滤除噪声信号；如果没有达到设定陷波阶 数，则经陷波信号被送回至锁相测量器107和陷波器108作为白噪声信号再次 进行锁相测量和陷波处理。

也就是说，原始输入信号如白噪声信号首先经过锁相测量获得待滤除频率 信号的幅度与相位，然后根据测量的幅度与相位在原信号中进行扣减获得陷波 结果，经过超过5次的反复多阶陷波处理，目标频率的信号幅度可以衰减100dB 以上，如图5所示。经过陷波处理的白噪声信号尽管在时域波形与有效值上没 有明显差异，如图6所示，但频域上可见经过陷波处理后的信号中几乎没有被 测信号频率的能量分量，如图7所示，因而将被测周期信号与经过陷波处理后 的信号合成的测试信号在测量微弱信号情况下具有更高准确性。

在测试过程中，锁相放大器106的工作参数是被预先设置的，待被测锁相 放大器106正常工作后，根据需要读取被测试的合成信号的幅度与相位值，并 根据相同条件下多次测量幅度与相位值分析其测量精确度，并计算出信噪比提 升性能，最终经过多轮变化信噪比、频率与模式等工作条件获得完整的信号幅 度、相位与信噪比提升性能的测试结果。

本发明采用严格定义信噪比的合成信号作为待测试信号，测试信号由不含 噪声的目标信号与不含信号频率的噪声两部分组成，并根据公式1合成为设定 能量信噪比、频率、以及信号与噪声模式下的测试信号。

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{SNR}}_V=\frac{E_N}{E_S}{10}^{\frac{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{dBP}}}{20}}\\ {\mathrm{WFM}}_{\mathrm{output}}=\frac{A\times {\mathrm{SNR}}_V}{{\mathrm{SNR}}_V+1}{\mathrm{UWFM}}_S(M_S,f,\psi )+\frac{A}{{\mathrm{SNR}}_V+1}{\mathrm{UWFM}}_N(M_N,f)\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，SNR_dBP与SNR_V分别为能量信噪比与幅度信噪比，E_S与E_N分别为 信号与噪声的均方根值或有效值(如正弦与白噪声的有效值分别为与)，A 为输出信号的幅度，UWFM_S(M_S,f_S,ψ)与UWFM_N(M_N,f_N)分别为信号与噪声的 峰值为1的单位波形，其中ψ、f、M_S、M_N分别为设定信号相位、测试频率、 信号模式与噪声模式。WFM_ouput为最终测试信号(即合成信号)波形。

本发明的测试过程中对信号幅度与相位测量精准度的评价基于同样条件 下被测锁相放大器的幅度输出值的多次测量统计分析结果，即幅度平均值与公 式1中信号波形的系数差异评估幅度准确性、相位平均值与公司1中设定ψ的 差异评估相位准确性、二者的方差分别用于评估各自的精确性。此外，信号幅 度的平均值AS与方差σS与设定的能量信噪比根据公式(2)计算出锁相放大 器的信噪比提升性能。

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{Gain}}=\frac{{A_S}^2}{{{\sigma }_S}^2}-{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{dBP}}---\left(2\right)$

下面结合实施例进一步说明锁相放大器测试仪的应用。

实施例1

采用本发明的锁相放大器测试仪评估锁相放大器频率的响应

采用本发明所提供的锁相放大器测试仪评估Signal Revovery公司的 SR830锁相放大器的频率响应结果，具体如图7所示。可以看出，SR830可在 100KHz以下在1s的时间常数8次测量条件下准确恢复0dB能量信噪比的正弦 信号，幅度的相对不确定度约为±1.2％，相位不确定度为±1°。

实施例2

采用本发明的锁相放大器测试仪评估锁相放大器抗噪声性能。

采用本发明所提供的锁相放大器测试仪评估Signal Revovery公司的 SR830锁相放大器的抗噪声响应结果，如图8所示，可以看出SR830在1s的 时间常数8次测量时可准确恢复能量信噪比为-40dB以上的正弦信号，在输入 信噪比在-40dB与40dB之间时对其信号信噪比的提升为41±4dB。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的 多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本 发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因 此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。