SRS,Stanford Research Systems,SR850,DSP鎖相放大器

SR850— 100 kHz DSP 鎖相放大器

概述

SR850 是一款基于創(chuàng)新的 DSP（數(shù)字信號(hào)處理）架構(gòu)的數(shù)字鎖相放大器。與傳統(tǒng)鎖相放大器相比，SR850 具有許多顯著的性能優(yōu)勢(shì)，包括更高的動(dòng)態(tài)范圍、更低的漂移、更低的失真以及顯著更高的相位分辨率。此外，平板顯示器和 65,536 點(diǎn)內(nèi)存使其能夠以傳統(tǒng)鎖相放大器無(wú)法提供的多種格式顯示和處理數(shù)據(jù)。

數(shù)字精度

SR850 的輸入端配備了精密的 18 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，可在 256 kHz 下對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。A/D 轉(zhuǎn)換器與高速 DSP 芯片替代了傳統(tǒng)鎖相放大器中的模擬解調(diào)器（混頻器）、低通濾波器和 DC 放大器。SR850 采用一系列精確的數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)取代模擬組件，從而消除了模擬組件固有的漂移、偏移、非線(xiàn)性和老化問(wèn)題。同一 DSP 芯片還數(shù)字合成了參考振蕩器，提供低于 -80 dBc 的失真，100 mHz 的頻率分辨率和 2 mV 的幅度分辨率。

數(shù)字靈活性

SR850 的顯示器支持多種選項(xiàng)。數(shù)據(jù)可以以數(shù)值或圖形的形式顯示，格式包括條形圖、極坐標(biāo)圖和條形圖。具有 65,536 點(diǎn)內(nèi)存和高達(dá) 512 Hz 的數(shù)據(jù)采集速率，您可以清楚地看到數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化，而不僅僅是當(dāng)前的輸出值。數(shù)據(jù)采集后，SR850 提供了多種數(shù)據(jù)處理選項(xiàng)，如 Savitsky-Golay 平滑、曲線(xiàn)擬合和統(tǒng)計(jì)分析。標(biāo)準(zhǔn)的 RS-232 和 GPIB 接口使數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)變得非常方便。

輸入通道

SR850 配備了一個(gè)差分輸入，具有 6 nV/√Hz 的輸入噪聲。輸入阻抗為 10 MΩ，最小全量程輸入電壓靈敏度為 2 nV。輸入也可以配置為電流測(cè)量，具有選擇的電流增益 106 和 108 V/A。提供 50 Hz 或 60 Hz 的線(xiàn)濾波器和 2× 線(xiàn)濾波器（100 Hz 或 120 Hz）以消除與線(xiàn)路相關(guān)的干擾。與傳統(tǒng)鎖相放大器不同，SR850 的輸入不需要跟蹤帶通濾波器。傳統(tǒng)鎖相放大器使用該濾波器來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍，但帶通濾波器會(huì)引入噪聲、幅度和相位誤差以及漂移。SR850 的 DSP 設(shè)計(jì)具有內(nèi)在的大動(dòng)態(tài)范圍，因此不需要跟蹤帶通濾波器。

參考通道

SR850 的參考源可以是外部施加的正弦波或方波，或其自身數(shù)字合成的參考源。由于內(nèi)部參考源是從與輸入相乘的相同數(shù)字信號(hào)合成的，因此在使用內(nèi)部參考時(shí)幾乎沒(méi)有參考相位噪聲。內(nèi)部參考可以在 1 mHz 到 102.4 kHz 的整個(gè)工作范圍內(nèi)以固定頻率或線(xiàn)性或?qū)?shù)方式掃描。可以在參考頻率的任何整數(shù)諧波上進(jìn)行諧波檢測(cè)，而不僅僅是前幾個(gè)諧波。

DSP 方法在處理外部參考時(shí)也提供了相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。獲取外部參考的時(shí)間僅為 2 個(gè)周期 + 5 毫秒（或 40 毫秒，以較大者為準(zhǔn)）——大約是傳統(tǒng)鎖相放大器的十倍速度。

由于 SR850 使用數(shù)字相位移技術(shù)而非模擬相位移器，參考相位可以以千分之一度的分辨率進(jìn)行調(diào)整。此外，X 和 Y 輸出在一個(gè)千分之一度范圍內(nèi)正交。

輸出和時(shí)間常數(shù)

SR850 的輸出時(shí)間常數(shù)是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的。提供 6、12、18 和 24 dB/倍頻程的低通濾波器，時(shí)間常數(shù)范圍從 10 μs 到 30 ks。200 Hz 以下，SR850 可以執(zhí)行同步濾波。同步濾波器可以濾除參考頻率的倍頻——這是在低頻下非常有用的功能，因?yàn)?2f 成分的接近會(huì)要求長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)以實(shí)現(xiàn)有效濾波。SR850 使得在低頻下的工作變得不那么耗時(shí)。

高動(dòng)態(tài)范圍

鎖相放大器在給定全量程輸入電壓下的動(dòng)態(tài)范圍是干擾信號(hào)與全量程輸入電壓的比率（以 dB 計(jì)）。最大干擾信號(hào)定義為在鎖相放大器無(wú)法以其指定準(zhǔn)確度測(cè)量信號(hào)之前，施加到輸入的最大信號(hào)幅度。

SR850 具有任何鎖相放大器中最高的動(dòng)態(tài)范圍（100 dB）。在傳統(tǒng)的鎖相放大器中，動(dòng)態(tài)范圍的提高通常以犧牲穩(wěn)定性為代價(jià)。由于 SR850 的數(shù)字濾波和增益過(guò)程，超高動(dòng)態(tài)范圍的獲得沒(méi)有犧牲穩(wěn)定性或準(zhǔn)確度。此外，SR850 的高動(dòng)態(tài)范圍是在不使用模擬帶通濾波器的情況下獲得的，從而消除了此類(lèi)濾波器引入的噪聲和誤差。

軌跡和顯示

SR850 收集的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在最多四個(gè)用戶(hù)定義的軌跡中。每個(gè)軌跡可以配置為 (A×B)/C，其中 A、B 和 C 可以從 X、Y、R、Θ、噪聲、頻率或四個(gè)后面板輔助輸入中選擇。可以通過(guò)定義適當(dāng)?shù)能壽E實(shí)時(shí)執(zhí)行常見(jiàn)操作，如比率計(jì)算。軌跡值可以顯示為帶有大數(shù)值顯示的條形圖，或顯示為條形圖，顯示軌跡值隨時(shí)間的變化。此外，您可以顯示極坐標(biāo)圖，顯示由信號(hào)的同相和正交分量形成的相量。所有顯示可以從前面板或通過(guò)計(jì)算機(jī)接口輕松縮放，并提供自動(dòng)縮放功能以快速優(yōu)化顯示。屏幕可以配置為單一大顯示，或?yàn)閮蓚€(gè)水平拆分的顯示。

便捷的自動(dòng)測(cè)量

常見(jiàn)的測(cè)量參數(shù)可以通過(guò)單鍵 “自動(dòng)” 功能獲取。增益、相位、動(dòng)態(tài)范圍和顯示縮放均可通過(guò)單鍵按下設(shè)置。對(duì)于許多測(cè)量，儀器可以通過(guò)自動(dòng)功能完全配置。

輔助 A/D 和 D/A

四個(gè)后面板 A/D 輸入允許您以毫伏分辨率測(cè)量外部信號(hào)。測(cè)量值可以納入 SR850 的一個(gè)軌跡定義中，或在前面板上顯示，或通過(guò)計(jì)算機(jī)接口讀取。四個(gè) D/A 輸出可以提供固定輸出電壓或與 SR850 的頻率掃描同步掃描的電壓水平。A/D 輸入和 D/A 輸出都具有 ±10 V 范圍。

分析功能

SR850 的性能不僅限于數(shù)據(jù)采集——還包括全面的數(shù)據(jù)處理功能。可以對(duì)任何軌跡數(shù)組應(yīng)用多范圍 Savitsky-Golay 平滑，并且可以計(jì)算選定軌跡區(qū)域的統(tǒng)計(jì)信息（均值、方差、總和）。曲線(xiàn)擬合例程可以計(jì)算線(xiàn)性、指數(shù)曲線(xiàn)和高斯曲線(xiàn)的最佳擬合。軌跡 “計(jì)算器” 允許您對(duì)軌跡數(shù)據(jù)執(zhí)行各種簡(jiǎn)單的算術(shù)和三角運(yùn)算。

接口和打印

SR850 標(biāo)配 RS-232 和 GPIB 接口。所有儀器功能都可以通過(guò)接口查詢(xún)和控制。為了方便調(diào)試，通過(guò)接口接收和發(fā)送的字符可以在前面板上查看。SR850 提供了幾種打印選項(xiàng)。屏幕可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) Centronics 打印接口傳送到點(diǎn)陣或激光打印機(jī)上。顯示也可以通過(guò) GPIB 或 RS-232 繪制在任何 HP-GL 兼容繪圖儀上。

SR850 規(guī)格

信號(hào)通道

• 電壓輸入：?jiǎn)味嘶虿罘?/li>
• 靈敏度：2 nV 至 1 V
• 電流輸入：106 或 108 V/A
• 輸入阻抗：
  • 電壓輸入：10 MΩ + 25 pF，AC 或 DC 耦合
  • 電流輸入：1 kΩ 至虛擬地
• 增益精度：±1%（典型值 ±0.2%）
• 噪聲：
  • 6 nV/√Hz 在 1 kHz
  • 1 kHz 下 0.13 pA/√Hz（106 V/A）
  • 100 Hz 下 0.013 pA/√Hz（108 V/A）
• 線(xiàn)濾波器：50/60 Hz 和 100/120 Hz（Q=5）
• 共模抑制比（CMRR）：10 kHz 時(shí) 100 dB，10 kHz 以上每倍頻程降低 6 dB
• 動(dòng)態(tài)范圍：>100 dB（無(wú)預(yù)濾波器）

參考通道

• 頻率范圍：0.001 Hz 至 102.4 kHz
• 參考輸入：TTL 或正弦波（最小 400 mVpp）
• 輸入阻抗：1 MΩ，25 pF
• 相位分辨率：0.001°
• 絕對(duì)相位誤差：<1°
• 相對(duì)相位誤差：<0.001°
• 正交度：90° ± 0.001°
• 相位噪聲：
  • 內(nèi)部參考：1 kHz 時(shí) <0.0001° rms
  • 外部參考：1 kHz 時(shí) 0.005° rms，100 ms，12 dB/oct
• 相位漂移：
  • 10 kHz 以下 <0.01°/°C
  • 10 kHz 至 100 kHz <0.1°/°C
• 諧波檢測(cè)：2F、3F、… nF 至 102.4 kHz
• 獲取時(shí)間：（2 個(gè)周期 + 5 ms）或 40 ms，以較大者為準(zhǔn)

解調(diào)器

• 穩(wěn)定性：
  • 數(shù)字輸出：無(wú)漂移
  • 模擬輸出：所有動(dòng)態(tài)范圍下 <5 ppm/°C
• 諧波抑制：-90 dB
• 偏移/擴(kuò)展：±100% 偏移，擴(kuò)展至 256×
• 時(shí)間常數(shù)：10 μs 至 30 ks（6、12、18、24 dB/倍頻程滾降）。200 Hz 以下可用同步濾波。

內(nèi)部振蕩器

• 范圍：1 mHz 至 102.4 kHz
• 精度：25 ppm + 30 μHz
• 分辨率：0.01% 或 0.1 mHz（以較大者為準(zhǔn)）
• 失真：
  • f < 10 kHz 時(shí) -80 dBc
  • f > 10 kHz 時(shí) -70 dBc 在 1 Vrms
• 振幅：0.004 至 5 Vrms 進(jìn)入 10 kΩ（2 mV 分辨率）
• 輸出阻抗：50 Ω
• 振幅精度：1%
• 振幅穩(wěn)定性：50 ppm/°C
• 輸出：正弦波和 TTL（均可鎖相到外部參考）
• 掃描：線(xiàn)性和對(duì)數(shù)

輸入和輸出

• 接口：標(biāo)準(zhǔn) IEEE-488.2、RS-232 和 Centronics 接口。所有儀器功能都可以通過(guò)接口控制和讀取。
• X、Y 輸出：±10 V，更新頻率為 256 ksamples/s
• CH1 輸出：±10 V 輸出 X、R 或軌跡 1 至 4
• CH2 輸出：±10 V 輸出 Y、Θ 或軌跡 1 至 4
• 輔助 A/D 輸入：4 個(gè) BNC 輸入，1 mV 分辨率，±10 V
• 輔助 D/A 輸出：4 個(gè) BNC 輸出，1 mV 分辨率，±10 V（固定或掃描幅度）
• 正弦輸出：內(nèi)部振蕩器模擬輸出
• TTL 輸出：內(nèi)部振蕩器 TTL 輸出
• 觸發(fā)輸入：TTL 信號(hào)可啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器掃描或觸發(fā)儀器數(shù)據(jù)采集（速率至 512 Hz）。
• 遠(yuǎn)程前置放大器：為可選的 SR550、SR552 和 SR554 前置放大器提供電源

顯示

• 屏幕格式：?jiǎn)物@示或雙顯示
• 顯示量：每個(gè)顯示器顯示一個(gè)軌跡。軌跡定義為 A×B/C 或 A×B/C2，其中 A、B、C 可以從 X、Y、R、Θ、X 噪聲、Y 噪聲、R 噪聲、Aux 1 至 4 或頻率中選擇。
• 顯示類(lèi)型：大數(shù)字讀數(shù)、條形圖、極坐標(biāo)圖或條形圖
• 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：64k 數(shù)據(jù)點(diǎn)。緩沖區(qū)可以配置為 64k 點(diǎn)的單一軌跡，或每個(gè) 32k 點(diǎn)的 2 個(gè)軌跡，或每個(gè) 16k 點(diǎn)的 4 個(gè)軌跡。
• 采樣率：0.0625 Hz 至 512 Hz，外部至 512 Hz

分析功能

• 平滑：5、9、17、21、25 點(diǎn)（Savitsky-Golay）
• 曲線(xiàn)擬合：線(xiàn)性、指數(shù)或高斯
• 計(jì)算器：算術(shù)、三角和對(duì)數(shù)計(jì)算
• 統(tǒng)計(jì)：均值和標(biāo)準(zhǔn)差

通用

• 硬拷貝：屏幕打印到點(diǎn)陣或激光打印機(jī)。通過(guò) RS-232 或 GPIB 打印到 HP-GL 兼容繪圖儀。
• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：USB 驅(qū)動(dòng)器。數(shù)據(jù)和儀器設(shè)置的存儲(chǔ)（二進(jìn)制或 ASCII）。屏幕可以保存為 PCX 文件。
• 電源：60 W，100/120/220/240 VAC，50/60 Hz
• 尺寸：17″ × 6.25″ × 19.5″（寬 × 高 × 深）
• 重量：40 lbs
• 保修：一年的材料和工藝缺陷保修