用于对锁相放大器进行测试的测试仪及其测试方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 随着信息时代的到来，许多科学研宄、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 signaldetection)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。
[0003] 在微弱信号检测领域里，锁相放大器（Lock-inAmplifier，LIA) -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、单茈纳米的非 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。
[0004] "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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 进一步地，信号过滤器包括带阻滤波器或陷波器。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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】
[0019] 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：
[0020] 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；
[0021] 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；
[0022] 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；
[0023] 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；
[0024] 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；
[0025] 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；
[0026] 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；
[0027] 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
[0028] 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】
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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