如何在存在大杂散电压的情况下设置锁相参数测量

September 1, 2022 by Jelena Trbovic

介绍

锁相放大器具有极强的通用性，可用于光学和光子学、纳米技术、SPM和传感等多种应用。由于锁相放大器的相敏检测工作原理，在高噪声环境中实现1nV的高灵敏度是可能的。MFLI锁相放大器设计用于适应电压输入范围从1 mV到3 V的大小信号，7个范围步长，16位垂直分辨率。这是一个适用于不同应用的宽测量范围，然而，我们仍然需要去除大的杂散信号，这些信号不仅会降低测量质量，还会损坏输入。在本博客中，您将学习如何使用MFLI锁相放大器仔细评估实验条件，并为最佳测量结果准备设置。

让我们从一般测量考虑开始。

您的设置

当实验准备就绪时，在连接样品之前，熟悉所有设备并确认其性能符合预期是有帮助的。

在MFLI的情况下，您可以执行从电压输出到电压输入的简单循环，应用几个电压值并确认预期结果。

请注意，MFLI输出最多可发送10 V（交流和直流组合）电压信号，这将导致输入过载和损坏。

您可以通过选择1 mV、10 mV、100 mV和10 V四个输出电压范围中的一个来防止这种情况发生。

如果您需要使用10 V范围，请使用20 dB衰减器，并在测量电压时说明变化。

使用LabOne用户界面（UI）监控输入的状态，如图1所示，信号侧栏告诉您信号相对于所选输入范围的相对部分。

当您确定设置的每个组件都按预期工作时，您可以将仪器连接到样品，而不施加任何可能损坏样品的信号，即采取所有预防措施，确保您准备样品的辛苦工作不会白费。

图1。LabOne UI中锁相选项卡的信号输入部分。电压输入显示在该部分的顶部，电流输入显示在底部。电压输入信号电平表示3 mV输入范围内最大电平的信号幅度。电流输入信号电平表示信号和输入范围比的良好选择，约为范围的50%。

LabOne用户界面

由于您已经拥有MFLI，您很幸运，因为我们提供的LabOne UI包含范围、绘图仪、扫描机等基本工具。有了这些工具，LabOne是您设置测量时最好的朋友。

将MFLI设备连接到PC并启动LabOne用户界面

在LabOne中，将输入电压范围增加到最大值3 V

确保一切设置正确，并将BNC电缆从实验输出连接到锁定输入（例如电压）

在“锁相”选项卡中选择参考频率，然后开始施加最小的交流和/或直流激励。零也是好的。

确保右下角没有OVI标志指示的过载。如果标志为红色，则表示您向输入施加的电压高于3 V。前面板上的红色LED也将指示过载。由于在这些条件下无法进行测量，并且只有在信号超过5V时才会损坏输入（请参阅MFLI用户手册中的表20最大额定值），因此请拔下电缆并确保您没有错过任何设置。

进一步测试和修复后，您可以转到输入范围为10 V的辅助输入。您可以在辅助输入子选项卡下的辅助选项卡中检查实际信号电平。如果一切正常，即信号振幅小于3 V，您可以安全地返回主电压输入，因为它将允许更高的测量灵敏度。

如果信号大于3V，使用衰减器确保其符合设备测量范围

现在，您确信信号已得到控制，您可以安全地使用锁相，您可以专注于信号质量。

示波器

示波器是测量实验噪声频谱的关键。如果信号周围的噪声很大，这意味着你的信噪比（SNR）会很小，除非你能去除周围的噪声，否则你可能需要放慢测量速度来改善这一点。如何做到这一点？

您的实验室的外部示波器始终是一个可行的选择，但通常在您需要时会丢失。无需担心：内置的LabOne示波器工具将在MFLI的情况下以30 MHz的带宽探测准确的测量情况。使用右侧的时间和频率FFT按钮在时域和频域之间切换。

如果您的信号包含比AC信号大得多的大DC分量，并且您不需要测量它，请使用AC耦合来完全消除它。您现在可以减少输入范围，并立即获得更好的测量结果。尽可能确保信号在输入范围的20–80%之间。图1。显示了过载电压输入的示例，并在正确位置低于电流输入的信号电平，以实现最佳测量。

如果信号远低于仪器的最小输入范围，您可以使用外部前置放大器，将信号放置在相对于所选输入范围更好的位置。

可进一步设置LabOne示波器，以捕获网络中出现的任何瞬态和随机信号。您可以使用示波器的触发器捕获这些数据，如下图2所示。在测量10mV AC信号时出现假900mV信号。直方图数学函数可以让您了解信号幅度分布。

图2:用于触发网络中出现的大DC信号的LabOne示波器工具的快照。这样的信号会导致输入的削波，并在高次谐波和总体噪声中引入测量伪影。

测量

当您确保一切就绪并且信号没有大的寄生电压时，您可以将输入范围减小到包含20–80%之间的信号和噪声幅度。输入的可用位将被充分使用，您的SNR将是最佳的。通过设置锁定滤波器带宽或时间常数，可以做出进一步的改进，这最终决定了测量的动态。

您的实际实验可能隐藏了电压和环境发生变化的几种可能性，因此让我们来看几个例子。

输运测量

输运测量通常需要施加控制设备状态的高电压，而不必测量。典型的输运测量设置如图2所示。需要测量纳米器件两端的小AC信号以及小DC偏置以测量差分电导谱。附加背栅DC偏置用于改变器件的能量配置，并且可以高达10伏。危险在于，栅极氧化物会崩溃，并将高电压转储到锁定相输入，如果超过5V标记，则会损坏锁定输入。为了防止这种情况发生，使用将过电压路由到地的保护电路以及直流阻断器。泄漏电流可通过电流输入进行监测，并使用清扫器工具和MFLI的辅助输出作为直流电源（高达10V）仔细评估整个设置。