鎖相放大器模塊OE1311/1351  100/500kHz鎖相放大器模塊

概述

OE1311/OE1351模塊鎖相放大器是目前最新款的核心技術(shù)產(chǎn)品，是一款高性能、高性價(jià)比的測量儀器?；跀?shù)字調(diào)制、輸出濾波器以及高精度24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)，采用全新Zynq架構(gòu)，能夠精確、快速測量出淹沒在大噪聲中的有效信號分量。而且，OE1311/OE1351鎖相放大器能夠同時(shí)測量輸入信號的幅度和相位信息，在測量精度、工作頻率范圍、信噪比、動態(tài)儲備等核心參數(shù)方面，均與國際同行業(yè)的頂尖技術(shù)相媲美。同時(shí)新開發(fā)了多諧波測量、示波器，頻譜分析儀等功能，使得OE1311/OE1351功能可以滿足多種科研及工業(yè)用途。

輸入信號通道

鎖相放大器OE1311/OE1351中所采用的低噪聲模擬前端放大器能夠有效地處理差分信號或者單端信號，其等效輸入噪聲為10nV/√Hz。本通道的輸入阻抗為10M?，在滿量程輸出時(shí)能夠檢測到的輸入信號電平為1nV至5V。此外，OE1311/OE1351能夠應(yīng)用于輸入電流信號的測量，其前端可變電流增益為10^6 V/A。OE1311/OE1351的動態(tài)范圍可以達(dá)到120dB以上，其可以根據(jù)輸入信號的幅度來調(diào)節(jié)內(nèi)部的可編程的增益放大器以改變整個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)儲備。高精度的24位ADC的采樣率為4SPS，在ADC前面的抗混疊濾波器能夠有效地防止信號混疊。

參考信號通道

OE1311OE1351數(shù)字鎖相放大器的參考信號可根據(jù)用戶的實(shí)際情況來選擇正弦波信號或者是方波信號，同時(shí)也可以利用儀器內(nèi)部數(shù)字合成的參考信號。當(dāng)OE1311/OE1351設(shè)定為內(nèi)部參考信號模式時(shí)，儀器內(nèi)部的高精度振蕩器和數(shù)字合成算法能夠產(chǎn)生用于和輸入信號相乘的正弦波信號，此時(shí)的內(nèi)部參考信號幾乎不會受到相位噪聲的影響。利用數(shù)字移相技術(shù)，內(nèi)部參考信號的相位能夠達(dá)到1udeg 的分辨率精度。本儀器的內(nèi)部參考信號模式能夠在1uHz至100/500kHz的頻率范圍內(nèi)正常工作。此外，OE1311/OE1351也能夠使用外部參考信號模式，正弦波信號和TTL邏輯電平可作為外部參考信號。外部參考信號的上升沿或者下降沿會觸發(fā)內(nèi)部的鎖相環(huán)(PLL)。基于參考信號的頻率，OE1311/OE1351可以對信號諧波進(jìn)行檢測，其所能檢測到的最大諧波信號頻率是基頻的65535倍，但最大諧波頻率不能超過儀器的工作頻率100/500 kHz。

濾波器

OE1311/OE1351的核心部件是調(diào)制器。相比于模擬的信號乘法器，這款儀器內(nèi)部的數(shù)字調(diào)制器能夠有效地遏制直流偏移和失調(diào)所帶來的潛在測量誤差。同時(shí)，通過優(yōu)化該數(shù)字調(diào)制器內(nèi)部相干信號的乘法運(yùn)算，使得其計(jì)算誤差為最小，保證儀器能夠精確的檢測出輸入的微弱信號。OE1311/OE1351的時(shí)間常數(shù)可以設(shè)定在1μs至3ks之間。輸出低通濾波器的滾降速率可設(shè)定為6、12、18、24、30、36、42和48 dB/oct。這款低通數(shù)字濾波器是利用無限脈沖響應(yīng)（IIR)濾波器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其信號處理的采樣率為4 MHz。OE1311/OE1351采用的數(shù)字調(diào)制方法和濾波器結(jié)構(gòu)，保證其相對于模擬鎖相放大器來說擁有更高的動態(tài)儲備（>120dB)、精確的相位（絕對相位誤差<1°)、零直流漂移和良好的正交性。此外，在輸入信號的頻率低于1 kHz時(shí)，OE1311/OE1351還會使用同步濾波器來消除參考信號的諧波影響，保證儀器能夠快速的檢測出有效的低頻信號。

示波器

示波器具有一個(gè) 4 MSa/s 模擬輸入通道，具有2MHz 模擬帶寬、5 Vrms 輸入電壓范圍以及用戶可配置的 AC/DC 耦合和10 MΩ 阻抗。 

頻譜分析儀

頻譜分析儀可以在頻域中觀察DC到2MHz輸入信號。 同時(shí)分辨率帶寬低至 1 Hz，最小跨度為 100 Hz。 

多解調(diào)器

傳統(tǒng)的鎖相放大器中，同一時(shí)間只能測量基頻信號或者某個(gè)諧波信號分量。因此對于某些需要同時(shí)多個(gè)頻率分量的幅值及相位的情況，傳統(tǒng)鎖相放大器是無法滿足測量要求。OE1311/OE1351的數(shù)字端將FPGA與ARM技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高的處理帶寬及更靈活的數(shù)字架構(gòu)，數(shù)字處理精度可達(dá)到48位，可以最多同時(shí)以8個(gè)容易頻率分析信號輸入，8 個(gè)解調(diào)器可自由配置幅值和相位，實(shí)現(xiàn)自由組合。 

信號發(fā)生器

基于16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），OE1311/OE1351能夠產(chǎn)生頻率范圍在1uHz到100/500kHz之內(nèi)的正弦波信號，其信號的幅值和相位與儀器內(nèi)部的振蕩器有關(guān)，可以通過儀器的控制目錄能夠設(shè)定儀器所產(chǎn)生的正弦信號的幅值。OE1311/OE1351的信號發(fā)生器所能產(chǎn)生的正弦波信號的最大幅值為5 Vrms。

接口

OE1311/OE1351的接口標(biāo)準(zhǔn)為1000Mbps RJ45網(wǎng)口和XH2.54-4PIN串口。通過網(wǎng)口或者串口，用戶能夠在控制計(jì)算機(jī)上有效地使用OE1311/OE1351的所有測試功能，包括設(shè)定儀器的合理控制參數(shù)和讀取儀器所測的數(shù)據(jù)。

PC軟件操作

配套圖形化上位機(jī)軟件。擁有快捷圖形按鈕及豐富的圖形操作功能，此外，本軟件具有清晰的數(shù)值顯示和波形顯示功能，可實(shí)時(shí)顯示測量數(shù)據(jù)，測量結(jié)果可以采用excel格式輸出保存，供后續(xù)的專業(yè)軟件進(jìn)行分析，讓測試得心應(yīng)手。此外，我們還全面支持Python、MATLAB 和LabVIEW 應(yīng)用程序接口（API）。

信號通道
        電壓輸入模式                單端或差分輸入
        滿量程靈敏度                1 nV 至 5 V，以 1-2-5 的倍數(shù)順序步進(jìn)
        電流輸入增益                10⁶  V/A
        輸入阻抗
                電壓                          10 MΩ//10 pF，交流或直流耦合
                電流                          1 kΩ 到虛擬地
        共模抑制比                     >70 dB 至 10 kHz，以 6 dB/oct 減小
        動態(tài)儲備                         >120 dB
        增益精度                         標(biāo)準(zhǔn) 0.5%，最大 2%
        電壓噪聲
                997Hz時(shí)                 5 nV/√ Hz

參考通道
        輸入
                頻率范圍                 1 uHz 至 100/500 kHz
                參考輸入                 方波或正弦波
                輸入阻抗                 10 MΩ
                方波參考電平         V_IH>3V， V_IL<0.5V
                正弦參考信號         >2 Hz
                                                    > 400 mVpp
        相位
                分辨率                     1udeg
                絕對相位誤差        <1deg

                相對相位誤差        <0.001deg

                正交性
                        內(nèi)部參考         在 1 kHz 時(shí)： <0.0001°rms
                        外部參考         在 1 kHz 時(shí)： 0.005°rms(時(shí)間常數(shù) 100 ms， 12 dB/oct)
                溫漂
                        低于 10 kHz     <0.01°/℃
                        高于 10 kHz     <0.1°/℃

        諧波檢測                           2F, 3F, …nF 至 100/500 kHz (n<65,535)

        采集時(shí)間

                內(nèi)部參考                  即時(shí)采集

                外部參考                （3個(gè)周期+5ms）或者40ms

解調(diào)器

        穩(wěn)定性

                數(shù)字輸出                 所有設(shè)置均無零點(diǎn)漂移

                顯示                        所有設(shè)置均無零點(diǎn)漂移

                模擬輸出                 所有動態(tài)儲備設(shè)置小于5 ppm/℃

        諧波抑制                         -90 dB

        時(shí)間常數(shù)                        1 us至3 ks . 6, 12, 18, 24,30,36,42 ,48dB/oct陡降

        同步濾波器                     低于1 kHz且大于18dB/oct陡降有效

信號發(fā)生器

        頻率

                范圍                          1 uHz至100/500 kHz

                精度                          2 ppm + 10 uHz

                分辨率                      1 uHz

        失真                                  -70 dBc 

        正弦幅值                         0.001Vrms至5 Vrms (分辨率1 mVrms)

                誤差                          標(biāo)準(zhǔn)0.5% (f<10 kHz)，最大2%

                溫度穩(wěn)定性             100 ppm/℃

        正弦輸出                         正弦信號，輸出阻抗50 Ω

        TTL同步輸出                  5V TTL/CMOS電平，輸出阻抗200Ω

輔助輸入與輸出

        CH 1 和 CH 2

                功能                          輸出X,Y,R,θ和諧波

                幅值                          ±10 V

                驅(qū)動電流                 ±30mA max

        AUX Inputs

                功能                          2通道輸入

                幅值                          ±10 V，1 mV分辨率

                阻抗                          1 MΩ

通訊接口

        UART                               XH2.54-4PIN

        網(wǎng)口                                  隔離式1000Mbps RJ45接口

其他

        電源要求

                電壓                         12VDC±5%

                功率                         標(biāo)準(zhǔn)18W，最大不超過24W

        尺寸

                長                                180 mm

                深                                106 mm

                高                                44 mm

應(yīng)用領(lǐng)域

掃描顯微鏡            AFM、STM、SPM

材料科學(xué)                載流子遷移率、載流子密度、霍爾效應(yīng)、超聲材料

輸運(yùn)測量                電導(dǎo)測量，阻抗測量

噪聲表征                噪聲密度，互相關(guān)測量

光學(xué)實(shí)驗(yàn)                光譜分析、光譜測量、THz測量、TDLAS

傳感器測量            陀螺儀、光電傳感器、諧振器、加速度計(jì)

磁性傳感                SQUIDs, NV色心, 原子磁強(qiáng)計(jì)，VSM

生物醫(yī)療                微流控

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