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款的核心技術產品，是一款高性能、高性價比的測量儀器。基于數字調制、輸出濾波器以及高精度24位數模轉換器(ADC)，采用全新Zynq架構，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、動態儲備等核心參數方面，均與國際同行業的技術相媲美。同時新開發了多諧波測量、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?，在滿量程輸出時能夠檢測到的輸入信號電平為1nV至5V。此外，OE1311/OE1351能夠應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的動態范圍可以達到120dB以上，其可以根據輸入信號的幅度來調節內部的可編程的增益放大器以改變整個系統的動態儲備。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數字鎖相放大器的參考信號可根據用戶的實際情況來選擇正弦波信號或者是方波信號，同時也可以利用儀器內部數字合成的參考信號。當OE1311/OE1351設定為內部參考信號模式時，儀器內部的高精度振蕩器和數字合成算法能夠產生用于和輸入信號相乘的正弦波信號，此時的內部參考信號幾乎不會受到相位噪聲的影響。利用數字移相技術，內部參考信號的相位能夠達到1udeg 的分辨率精度。本儀器的內部參考信號模式能夠在1uHz至100/500kHz的頻率范圍內正常工作。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內部的鎖相環(PLL)。基于參考信號的頻率，OE1311/OE1351可以對信號諧波進行檢測，其所能檢測到的諧波信號頻率是基頻的65535倍，但諧波頻率不能超過儀器的工作頻率100/500 kHz。

濾波器

OE1311/OE1351的核心部件是調制器。相比于模擬的信號乘法器，這款儀器內部的數字調制器能夠有效地遏制直流偏移和失調所帶來的潛在測量誤差。同時，通過優化該數字調制器內部相干信號的乘法運算，使得其計算誤差為最小，保證儀器能夠精確的檢測出輸入的微弱信號。OE1311/OE1351的時間常數可以設定在1μs至3ks之間。輸出低通濾波器的滾降速率可設定為6、12、18、24、30、36、42和48 dB/oct。這款低通數字濾波器是利用無限脈沖響應（IIR)濾波器結構實現的，其信號處理的采樣率為4 MHz。OE1311/OE1351采用的數字調制方法和濾波器結構，保證其相對于模擬鎖相放大器來說擁有更高的動態儲備（>120dB)、精確的相位（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，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 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。 同時分辨率帶寬低至 1 Hz，最小跨度為 100 Hz。

多解調器

傳統的鎖相放大器中，同一時間只能測量基頻信號或者某個諧波信號分量。因此對于某些需要同時多個頻率分量的幅值及相位的情況，傳統鎖相放大器是無法滿足測量要求。OE1311/OE1351的數字端將FPGA與ARM技術相結合，實現更高的處理帶寬及更靈活的數字架構，數字處理精度可達到48位，可以最多同時以8個容易頻率分析信號輸入，8 個解調器可自由配置幅值和相位，實現自由組合。

信號發生器

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

接口

OE1311/OE1351的接口標準為1000Mbps RJ45網口和XH2.54-4PIN串口。通過網口或者串口，用戶能夠在控制計算機上有效地使用OE1311/OE1351的所有測試功能，包括設定儀器的合理控制參數和讀取儀器所測的數據。

PC軟件操作

配套圖形化上位機軟件。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值顯示和波形顯示功能，可實時顯示測量數據，測量結果可以采用excel格式輸出保存，供后續的專業軟件進行分析，讓測試得心應手。此外，我們還全面支持Python、MATLAB 和LabVIEW 應用程序接口（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 的倍數順序步進
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
動態儲備 >120 dB
增益精度 標準 0.5%， 2%
電壓噪聲
997Hz時 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
相位誤差 <1deg

相對相位誤差 <0.001deg

正交性
內部參考 在 1 kHz 時： <0.0001°rms
外部參考 在 1 kHz 時： 0.005°rms(時間常數 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)

采集時間

內部參考 即時采集

外部參考 （3個周期+5ms）或者40ms

解調器

穩定性

數字輸出 所有設置均無零點漂移

顯示 所有設置均無零點漂移

模擬輸出 所有動態儲備設置小于5 ppm/℃

諧波抑制 -90 dB

時間常數 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 標準0.5% (f<10 kHz)，2%

溫度穩定性 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

網口 隔離式1000Mbps RJ45接口

其他

電源要求

電壓 12VDC±5%

功率 標準18W，不超過24W

尺寸

長 180 mm

深 106 mm

高 44 mm

應用領域

掃描顯微鏡 AFM、STM、SPM

材料科學 載流子遷移率、載流子密度、霍爾效應、超聲材料

輸運測量 電導測量，阻抗測量

噪聲表征 噪聲密度，互相關測量

光學實驗 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

磁性傳感 SQUIDs, NV色心, 原子磁強計，VSM

生物醫療 微流控

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