锁相放大器的新进展
锁相技术知识点总结
锁相技术知识点总结一、锁相放大器的原理锁相放大器是锁相技术的核心设备，其原理是利用相位敏感检测器（PSD）和低通滤波器实现对输入信号的相位测量和提取。
相位敏感检测器是将输入信号和参考信号相乘，然后通过低通滤波器滤除高频信号，得到一个与输入信号相位有关的直流信号。
通过对这个直流信号进行放大和数字化处理，就可以得到输入信号的相位信息。
锁相放大器的原理可以简单地用一个比喻来理解，就是通过将输入信号和参考信号进行“比对”，得到两者之间的相位差，然后通过放大和数字化处理来得到相位信息。
二、锁相放大器的工作原理锁相放大器的工作原理可以分为两个步骤：信号相位的检测和信号的放大和数字化处理。
在信号相位的检测步骤中，输入信号和参考信号经过相位敏感检测器进行相乘，并通过低通滤波器滤除高频信号，得到一个与输入信号相位有关的直流信号。
在信号的放大和数字化处理步骤中，直流信号经过放大器进行放大，然后经过模数转换器进行数字化处理，得到输入信号的相位信息。
整个过程中，锁相放大器可以通过调节参考信号的相位、频率和幅度来对输入信号进行精确的测量和控制。
三、锁相放大器的应用锁相放大器广泛应用于科学研究、通信、医学、生物化学、工业控制等领域。
在科学研究领域，锁相放大器常用于对微弱信号的测量和分析；在通信领域，锁相放大器常用于对调制信号的检测和解调；在医学领域，锁相放大器常用于生物信号的测量和分析；在生物化学领域，锁相放大器常用于对生物信号的检测和分析；在工业控制领域，锁相放大器常用于对工艺参数的测量和控制。
锁相放大器通过提高信噪比和测量精度，可以满足不同领域对信号测量和控制的需求。
四、锁相放大器的发展趋势随着科学技术的发展，锁相放大器的性能不断提高，应用领域不断拓展。
锁相放大器的发展趋势主要包括以下几个方面：一是性能的提高，包括测量精度的提高、频率范围的扩大、动态范围的增加等；二是功能的增强，包括新的信号处理算法、新的控制方式、新的接口标准等；三是应用领域的拓展，包括科学研究、通信、医学、生物化学、工业控制等领域的应用；四是结构的优化，包括体积的缩小、功耗的降低、成本的降低等。
近代物理实验报告锁相放大器
锁相放大器【摘要】锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩旳措施，将微弱信号从噪声中提取出来。
本试验通过测量锁相放大器旳工作参数和特性，掌握有关检测原理以及锁相放大器旳对旳使用措施。
【关键词】锁相放大器、微弱信号放大一引言伴随科学技术旳发展，微弱信号旳检测越来越重要。
微弱信号检测是运用电子学、信息论、物理学和电子计算机旳综合技术。
它是在认识噪声与信号旳物理特性和有关性旳基础上，把被噪声沉没旳有用信号提取出来旳一门新兴技术学科。
锁相放大器就是检测沉没在噪声中微弱信号旳仪器。
它可用于测量交流信号旳幅度和位相，有极强旳克制干扰和噪声旳能力，极高旳敏捷度，可检测毫微伏量级旳微弱信号。
自1962 年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术旳诸多领域。
二、试验原理1、噪声在物理学旳许多测量中，常常碰到极微弱旳信号。
此类信号检测旳最终极限将取决于测量设备旳噪声，这里所说旳噪声是指干扰被测信号旳随机涨落旳电压或电流。
噪声旳来源非常广泛复杂，有旳来自测量时旳周围环境，如 50Hz 市电旳干扰，空间旳多种电磁波，有旳存在于测量仪器内部。
在电子设备中重要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和 1／f 噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动旳涨落现象引起旳。
从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。
2、相干检测及相敏检波器微弱信号检测旳基础是被测信号在时间上具有前后有关性旳特点。
有关反应了两个函∞ 数有一定旳关系，假如两个函数旳乘积对时间旳积分不为零，则表明这两个函数有关。
有 关按概念分为自有关和互有关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强旳互有关检测。
设信号 f 1(t )为被检信号 V s (t )和噪声 V n (t )旳叠加，f 2(t )为与被检信号同步旳参照信号V r (t )，两者旳有关函数为：R (τ) = lim1Tf (t )⋅ f (t -τ)d t = lim1T[V (t )+ V (t )]⋅V (t -τ)d t12T →∞2T ⎰-T 12T →∞2T ⎰-Tsnr= R sr (τ)+ R nr (τ)由于噪声 V n (τ)和参照信号 V r (τ)不有关，故 R nr (τ)=0，因此 R 12(τ)=R sr (τ)。
数字锁相放大器原理及其Matlab仿真
数字锁相放大器原理及其Matlab仿真摘要：数字锁相放大器作为一种新型的放大器，其原理和应用逐渐受到人们的关注。
本文主要介绍数字锁相放大器的基本工作原理和Matlab仿真的方法。
基于数字信号处理技术，数字锁相放大器通过数字积分器和数字锁相环的组合实现了高精度的信号放大和相位锁定。
在Matlab环境下，仿真过程首先建立数字锁相放大器的模型，然后进行参数设置和仿真测试。
通过多次调整模型参数，并对仿真结果进行分析，得到最优的数字锁相放大器设计方案。
本文的研究可以为数字锁相放大器的实际应用提供参考。
关键词：数字锁相放大器、数字信号处理、数字积分器、数字锁相环、Matlab仿真正文：一、引言数字锁相放大器作为一种新型的放大器，其应用范围涉及多个领域，如精密测量、生物医学、材料科学等。
与传统的电子放大器相比，数字锁相放大器具有响应速度快、抗干扰性强、精度高等优点。
为了更好地掌握数字锁相放大器的原理和应用，本文通过Matlab仿真的方法进行研究，以期发现数字锁相放大器的最佳设计方案。
二、数字锁相放大器原理数字锁相放大器基于数字信号处理技术实现了高精度的信号放大和相位锁定。
其基本工作原理是：将待放大信号与参考信号做乘积，再将乘积信号通过数字积分器得到直流分量和交流分量。
然后将交流分量输入数字锁相环进行相位锁定，最后从数字锁相放大器的输出端可以获得相位锁定后的信号。
数字锁相放大器的电路图如下所示：图1 数字锁相放大器的电路图其中，$u_i$表示待放大信号，$u_{ref}$为参考信号，$v$为输出端信号，$n_i$，$n_{ref}$，$n$为噪声信号。
数字积分器的计算公式为：$$y(n)=y(n-1)+\frac{T}{2}\left(x(n)+x(n-1)\right)$$其中，$x(n)$为输入信号，$y(n)$为输出信号，$T$为采样周期。
数字锁相环的计算公式为：$$\theta_{n}=\theta_{n-1}+K_{p} \Delta \varphi_{n}+K_{i}\sum_{j=0}^{n} \Delta \varphi_{j}$$其中，$\theta_{n}$为相位偏差，$\Delta \varphi_{n}=2 \pif_{ref} T$为相位差，$K_{p}$和$K_{i}$为比例常数和积分常数。
锁相放大器报告
锁相放大器报告1. 引言锁相放大器（Lock-in Amplifier）是一种用于检测和放大微弱信号的仪器。
它的原理是利用参考信号与待测信号进行相位比较，并通过频率调制将待测信号转换成与参考信号频率相同的信号，从而实现信号的放大与解调。
锁相放大器在许多领域都有广泛的应用，例如光学测量、电子学实验、磁学、生物医学等。
本报告将重点介绍锁相放大器的原理、应用以及仪器的使用方法。
2. 原理锁相放大器的核心原理是相位敏感放大技术，它通过与参考信号进行相位比较，实现对待测信号的放大与解调。
具体原理可以分为以下几个步骤：1.信号混频：将待测信号与参考信号进行混频，产生一个电压与参考信号频率相同的交流信号。
2.低通滤波：对混频后的信号进行低通滤波，滤除高频噪声部分。
3.相位移动：通过改变参考信号的相位，实现对待测信号相位的调整。
相位调整后，待测信号与参考信号之间的相位差将被最小化。
4.放大器：对调整后的信号进行放大，增加信号的幅度。
5.解调器：将放大后的信号与参考信号进行相乘，得到待测信号的幅度信息。
锁相放大器将以上步骤组合在一起，能够对微弱信号进行高增益放大和高精度解调，从而提高信号的检测灵敏度和测量精度。
3. 应用锁相放大器在许多领域都有广泛的应用，下面将介绍几个典型的应用场景。
3.1 光学测量在光学测量中，锁相放大器常用于检测光能量、相位差、频率等参数。
例如在光学干涉仪中，通过锁相放大器可以对光的干涉信号进行放大和解调，从而实现对干涉信号的精确测量。
3.2 电子学实验锁相放大器在电子学实验中也有着广泛的应用，可以用于检测微弱信号、分析信号的谐波成分等。
例如在电阻、电容和电感测量中，锁相放大器可以消除噪声的影响，提高测量的精度。
3.3 生物医学在生物医学领域，锁相放大器被广泛应用于生物信号检测和分析。
例如在心电图检测中，锁相放大器可以提取出心电信号的有效部分，并抑制背景噪声干扰，从而实现对心电信号的准确分析和诊断。
锁相放大实验报告
锁相放大实验报告锁相放大实验报告摘要本实验利用锁相放大器对微弱信号中的噪声进行抑制并对其进行检测，了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成；掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。
通过实验学会锁相放大器的使用，掌握利用锁相放大器来观察信号输入信号通道前后的幅值以及波形情况，获得相位角与电压、放大倍数与电压的关系，并且通过噪声的观察知道如何消除噪声。
关键词锁相放大器，通道，噪声带宽，信噪比正文锁相放大器己成为现代科学技术中必不可少的常备仪器。
国内72年南京大学首先从事这方面的研究工作，1974年研制成了第一台实验室样机，继后物理所等单位相继进行了这一方面的研究工作，1978年才有了工厂生产产品。
现在测量毫微伏量级的信号已是可能。
锁相放大器在涉及到微弱信号检测的各个领域都已得到了广泛的应用。
一、实验原理简析锁相放大器就是用来检测淹没在噪声中的微弱交流信号。
本质上，锁相放大器是一个具有任意窄带宽的滤波器，其频率调谐到信号的频率，排除掉大多数不需要的噪声而只允许被测量信号通过。
除了滤波，锁相放大器也能够提供增益，锁相放大器可以从噪声中提取比噪声小1000倍甚至10000倍的信号，锁相放大器的信噪改善比特别高它可用于测量交流信号的幅度和相位。
有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极髙的灵敏度。
1.相关检测原理所谓相关就是指两个函数间有一定的关系，如果他们的乘积对时间求平均（积分）为零，则表明这两个函数不相关（彼此独立）；如不为零，则表明两者相关。
由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都是采用互相关检测原理。
如果）（ltf和）（2 tf为两个功率有限的信号，则可定义其相关函数为：TTldttftfTR）（）（2/llim21）（由于噪声的频率和相位都是随机量，它的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。
因而可以认为信号和噪声，噪声和噪声之间是互相独立，相关函数为零，通过推导，则：YTrsdttvtTR）（）（2/1 lim）（由此可知，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。
锁相放大器实验报告BY陈群
锁相放大器实验报告BY陈群浙江师范大学实验报告实验名称锁相放大实验班级物理071姓名陈群学号07180116同组人刘懿钧实验日期09/12/1室温气温锁相放大实验摘要：锁相放大器(Lock-in amplifier, LIA)自问世以来，在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，它能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高，在科学研究的各个领域得到了广泛的应用。
它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。
因此，学生掌握锁相放大技术的原理与应用具有重要的意义。
关键词：锁相放大器微弱信号PSD信号引言：在进展一日千里的现代科技领域中，精密量测技术的发展对于近代工业有关键性的影响。
当我们研究的系统日趋庞大，交互作用复杂，但所欲了解的现象却越来越精细时，如何在一大堆讯号中获得我们真正想要的信息便成为一个重要的课题。
一般的线性放大器可以将微弱的电子讯号放大，但若我们所要的信号中伴随着噪声信号，则两者都会一起放大，亦即此伴随的噪声无法滤除。
尤其当噪声强度远大于所要的信号时，即必须藉助特殊的放大器以同时放大讯号并滤去噪声。
锁相放大器是一种能测量极微弱的连续周期性信号的仪器。
这些微弱信号可以小至数奈伏特(nV),其至隐藏在大它数千倍的噪声当中，亦能精确的测得。
连续周期性信号与噪声不同之处，在于前者具有固定的频率及相位，后者则杂乱无章。
锁相放大器便是利用所谓”相位灵墩侦测(phase-sensitive detection, PSD)”的技术以取得具有特定频率与相位的信号，而不同于此频率的噪声则被抑制下来，使输出讯号不受噪声影响。
实验方案：实验原理锁相放大器的基本结构如图所示，包括信号通道、参考通道、相敬检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)等。
信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敬检测器工作的平台，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敬检测的动态范圉。
锁相放大器在测量中的应用
锁相放大器在测量中的应用引言：在科学研究和工业领域的各种测量中，锁相放大器作为一种高灵敏度的测量仪器得到了广泛的应用。
其独特的相位调制技术和敏感的相位检测方式使其在信号处理和噪声抑制方面具有重要作用。
本文将介绍锁相放大器的基本原理，详细探讨其在测量中的应用，以及其在不同领域中展现的优势。
锁相放大器的基本原理：锁相放大器是基于相位敏感检测原理的一种测量仪器。
相位敏感检测是指通过将待测信号与参考信号进行相位调制，然后检测调制后信号的相位变化来实现信号提取和噪声抑制的方法。
锁相放大器如此命名的原因是它通过不断调整内部参考信号的相位和频率，使其与待测信号保持同步或锁定，从而实现了对待测信号的精确测量。
锁相放大器在测量中的应用：1. 光学测量应用：锁相放大器在光学测量领域的应用非常广泛。
例如，在光学相干断层扫描（OCT）成像中，锁相放大器用来提取待测信号中的弱散射成分，实现高分辨率的断层图像重建。
此外，锁相放大器还可以应用于激光干涉仪、多普勒测速仪等光学测量设备中，提高信噪比和测量精度。
2. 材料科学和纳米技术：锁相放大器在材料科学和纳米技术中的应用也非常重要。
在材料表面性质的测量中，锁相放大器可以用来提取微弱的振动信号，实现对材料表面特性的研究和分析。
此外，锁相放大器还可以配合扫描隧道显微镜（STM）等纳米测量仪器，实现对纳米尺度下的电子和磁性性质的测量。
3. 生物医学应用：锁相放大器在生物医学领域的应用主要集中在光谱和生物传感测量中。
例如，通过与生物标记物的特异性结合，锁相放大器可以用于实时监测和测量生物分子浓度的变化，从而实现生物传感器的设计和制造。
此外，锁相放大器在生物光谱学中的应用也十分突出，可以提高生物样品信号的检测灵敏度和精确性。
4. 物理学研究：在物理学研究领域，锁相放大器被广泛应用于测量和分析研究对象的弱信号。
例如，在原子力显微镜（AFM）中，通过锁相放大器可以提取纳米级别的位移信号，实现对样品表面形貌和物理性质的测量。
产品简介SRS锁相放大器SR850数字锁相放大器基于创新的DSP技术组成
产品简介SRS锁相放大器SR850数字锁相放大器 基于创新的DSP技术组成，拥有很多传统锁相放大器所无法比拟的性能，具有更高的动态范围、低飘移、低失真、高相位分辨率等特点。
特点及应用· 频率围1mHz 到102.4kHz· ＞100dB 的动态保留· 稳定性为5ppm/℃· 0.001 度的相位分辨率· 时间常数为10μs 到30ks（最大24dB倍频程衰减速率）· 自动增益、相位、存储、偏置。
· 65K屏幕显示· GPIB，RS-232 和3.5英寸的磁盘驱动器产品简介模拟式锁相放大器，检测交流信号，可以从噪声中将nV级别的信号提取出来。
有单相锁相SR510和双相锁相SR530，可以检测微弱的电流和电压信号，高动态范围，2阶时间常数，内置信号源。
特点及应用· 频率范围0.5Hz到100KHz· 电流和电压输入· 高达80dB的动态范围· 内置带通和线性滤波器· 内置参考信号源· 四通道AC输入、两通道DC输· GPIB和RS232接口- 34 -产品简介SRS模拟锁相放大器半个世纪以来，锁相放大器一直被用于检测噪声中的微弱交流信号。
早期的锁相设计于模拟电路，多路机械开关，针脚指示等，并于图表监控仪进行连接控制。
这款锁相放大器可以完全取代数字锁相放大器，减少了由模数转换的带来的噪声。
特点及应用· 低噪声，模拟式设计· 无数字噪声干扰· 0.2Hz到200KHz的测试范围· 低噪声电流和电压输入· 谐波检测（f，2f or 3f）· 可选择性的滤波输入产品简介SRS200MHz锁相放大器SR844 200MHz锁相放大器 具有最宽的频率范围25KHz到200MHz，采用DSP处理技术，具有80dB的动态范围。
锁相放大器综述
题目：锁相放大器的原理及应用姓名：单位：学号：联系方式：摘要锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。
应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。
本文主要介绍了锁相放大器原理，发展过程，基本组成，重要参数和在各方面的应用。
关键词：锁相放大器，噪声，傅立叶变换一、锁相放大器的定义锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。
它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。
因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。
此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。
锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。
应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。
二、锁相放大器的历史上世纪六十年代美国公司研制出第一台利用模拟电路实现微弱正弦信号测量的锁相放大器，使微弱信号检测技术突破性飞越，为解决大量电子测量做出贡献，在物质表面组份分析以及表面电子能态研宄方面有重大意义。
自上世纪后期开始，国内外越来越多的人开始研宄锁相放大器，随着科技的发展，越来越多性能优良的锁相放大器被研发出来，在各个领域应用广泛，极大程度上推动了各个学科的发展，目前，从提高系统的灵敏度、减小噪声带宽、提高检测精度、改善信噪比上都有了很大的进步。
近年来，数字电子技术飞速发展，锁相放大器也在这一契机下，出现了模数混合的锁相放大器与数字锁相放大器，这在一定程度上弥补了由于物理器件造成的模拟锁相放大器的缺点，极大改善了性能，提升了研究层次与扩大了应用范围。
锁相放大器实验报告
锁相放大器实验报告锁相放大器实验报告引言：锁相放大器是一种用于测量微弱信号的高精度仪器，广泛应用于光电子学、材料科学等领域。
本实验旨在通过锁相放大器的使用，探索其原理和应用，并验证其在信号测量方面的优势。
一、实验目的本实验的主要目的是学习锁相放大器的工作原理和使用方法，并通过实验验证锁相放大器在测量微弱信号时的优越性能。
二、实验装置本实验所使用的实验装置主要包括锁相放大器、信号发生器、光电探测器等。
其中，锁相放大器是实验的核心设备，其通过对输入信号进行相位调制和解调，实现对微弱信号的放大和测量。
三、实验步骤1. 连接实验装置：首先，将信号发生器和光电探测器分别与锁相放大器连接，确保各设备之间的信号传输正常。
2. 设置实验参数：根据实验要求，设置锁相放大器的工作频率、相位等参数，以及信号发生器的频率和幅度等参数。
3. 测量信号：通过调节信号发生器的输出信号，使其与待测信号频率相匹配，然后通过光电探测器将信号转化为电信号输入到锁相放大器中。
4. 数据采集与分析：通过锁相放大器的显示屏或计算机软件，获取测量到的信号数据，并进行分析和处理，得到所需的实验结果。
四、实验结果与讨论通过实验，我们得到了一系列测量结果，并进行了相应的数据分析和讨论。
首先，我们验证了锁相放大器对微弱信号的放大效果。
实验结果表明，锁相放大器能够有效地放大微弱信号，并提供高精度的测量结果。
其次，我们研究了锁相放大器的相位调制和解调原理。
相位调制是通过改变输入信号的相位，使其与参考信号保持一定的相位差，从而实现对信号的放大和测量。
而解调则是将锁相放大器输出的调制信号恢复为原始信号，并进行相应的分析和处理。
另外，我们还探索了锁相放大器在光电子学领域的应用。
通过将锁相放大器与光电探测器相结合，我们可以实现对光信号的高精度测量，这在光通信、光谱分析等领域具有重要的应用价值。
五、实验总结通过本次实验，我们深入了解了锁相放大器的工作原理和使用方法，并验证了其在信号测量方面的优越性能。
锁相环中一种新型的前置放大器的设计
图 １ 带 ＭＣ Ｕ可 编 程 ＰＪ 频 率 合 成 器 结 构 ＩＪ Ｉ
收 稿 Ｅ期 ：０ ７年 １ ｔ ２０ ０月 １ 修 回 日期 ：０ ７年 １ 月 １ ２１ ３， ２０ １ ５１ ３ 作 者 简 介 ： 峰 ， ， 士 研 究 生 ， 究 方 向 ： 拟 集 成 电路 设 计 。 陈 勇 ， ， 士 ， 教 授 ， 究 方 向 ： 型集 成 电 路 及 张 男 硕 研 模 男 博 副 研 新
用 于 高 电压时 降压 的和低 压 时 的跟 随 ， 以对其他 所 参数 ， 求都不是那么严格 ， 要确保其稳定性。 要 但 由于集 成 的 电容 值 很 少 ， 了确 保 其稳 定 性 ， 功 为 在 率 管 的栅漏 之 间加入 密勒 补偿 ， 了消 除或 移动右 为 半 平 面 的零 点 ， 而加 上一 个 补 偿 电阻． 加 密 勒 从 没 电容 和补 偿 电阻 时 的稳 定 性 很 差 ， 进 入 振 荡 状 会
器件 、 ＭＯ ＦＩ 器件物理与模型等方 面。 Ｃ ＳＲ Ｃ、
维普资讯
１２ ５
张峰等 ： 锁相环 中一 种新 型的前置放大器 的设计
总第 ２ １ ２ 期
隙基 准源 提供 。根 据 电路 的设 定 ， 确定其 输 出额定 电压 为 ２ ８ Ｖ， Ｌ Ｏ进行 分 析 ， ．６ 对 Ｄ 由于 功能 主要 是
的分 频 ， 一定要 对其 信 号 先 进行 处 理 ， 因而 从 Ｖ Ｏ Ｃ
个 环路 ， 控制 信号 （ 其 包括 Ｒ ｃｕ ｔｒ Ｎ ｃｕ ｔｒ ｏｎｅ 和 ｏ ｎｅ 由于 在高频 设 计 中 ， 噪声 干 扰 的影 响很 大 ， 为
的分 频数 ） 通过 Ｍ Ｕ送 人 。 Ｃ 了抑制 噪声 ， 计 的锁 相环 采用 差分 电流模 式 逻 所设 辑 （ ｕｒｎ ＭｏｅＬ ｇ Ｃ ｒ ｔ ｄ ｉ ｅ ｏ ｃ简称 Ｃ ＭＬ见 图 ３结 构 进行 分 频 ， 以 要 求 从 ｐｅｍ ｌｅ 出为 双 端 差 分 信 所 ｒａ ｐｉ ｒ输 ｆ 号 。 由于从 Ｖ Ｏ输 出 的为 一 单 端 信 号 ， 们 采 用 Ｃ 我
锁相放大器的新进展
- 目前， 微弱信号检
测技术和仪器的不断进步， 已经在很多科学和技术 领域中得到广泛的应用 （ 如电、 光、 磁、 声、 热、 超导、 振动等测量； 各种谱仪、 电镜扫描探头、 原子力显微 V< 桥、 反馈控制环 镜等应用； 以及 V< 阻抗测量、 等） ， 未来科学研究不仅对微弱信号检测技术提出 更高的要求， 同时新的科学技术发展反过来促进了
［ ’ —" ］ 微弱信号检测新原理和新方法的诞生 -
本文将介绍 VYXV 的基本结构、 不足和特点； 接 着将重点介绍 ]YXV 的一般结构， 并通过硬件， 软件 和算法三方面来说明 ]YXV 的发展趋势［ ’ —# ］ ’! 模拟锁相放大器 （ VYXV）
早期的 YXV 是由模拟电路实现的， 随着数字技 术的发展， 出现了模拟与数字混合的 YXV， 这种 YXV 只是在信号输入通道， 参考信号通道和输出通道采 用了数字滤波器来抑制噪声， 或者在模拟锁相放大 器 （ 简 称 VYXV ）的 基 础 上 多 了 一 些 模 数 转 换 （ V]< ） 、 数模转换 （ ]V< ） 和各种通用 数 字 接 口 功 能， 可以实现由计算机控制的监视和显示等辅助功
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实验技术
图 .- 模拟锁相放大器 （ /01/） 的典型结构
号输入通道、 参考输入通道、 相敏检波器和正交相敏 检波器、 输出通道、 微处理器和辅助数字部分组成& 输入通道包括信号输入、 低噪声前置放大、 电流电压 转换、 放大和组合滤波器& 信号输入有 2 种方式： 单 端电压输入、 差分电压输入和电流输入方式， 可以适 应被测信号为电压和电流两种形式& 在被测信号为 电压信号的情况下， 单端电压输入方式是常用的方 式， 如果信号中存在共模干扰信号， 就采用差分输入 方式& 低噪声前置放大器的增益可调， 也可根据频率 和源阻抗选择最小噪声因子的外接低噪声前放或阻 抗匹配变压器& 滤波器组主要分为陷波滤波器、 组合 滤波器& 陷波滤波器是滤除工频及其二次谐波的干 扰； 组合滤波器可灵活组成低通、 高通、 带通和陷波 3 种模式& 参考输入通道由参考触发、 内部时钟、 可 调相 移 器 和 45 6 固 定 相 移 器 组 成 5 —275 6 可 变 移 相& 参考输入可用外部输入， 或内部时钟信号 （ 也可 输出用作被测信号的同步调制） ， 由于参考触发整 形电路的存在， 只要求外部参考信号在一个周期内 有 8 个过零点， 并且有一定的幅度， 这就意味着方 波、 三角波和其他信号以及如 990 信号或逻辑电平 等， 都可以像正弦信号一样作为参考信号使用； 内部 时钟产生内部相位开关来驱动相敏检波器和正交相 敏检波器， 使仪器运行于正交的双相 /01/ 模式& 相 移器的调节使输入信号与参考信号的相位差为零& 在双相位 /01/ 中， 45 相移器输出一个与输入信号 正交的参考信号， 用来驱动两个相敏检波器， 同样通 过后续的低通滤波器， 分别检测被测信号， 经过直流 放大器由电压表显示其结果& - - 相敏检波器实质是个模拟乘法器 （ 或称同 步解调器） ， 主要作用是将输入信号与参考信号 （正
锁相放大器处理直流信号
锁相放大器处理直流信号摘要：一、锁相放大器的工作原理1.锁相放大器的定义2.锁相放大器的工作原理简述二、锁相放大器在处理直流信号方面的应用1.锁相放大器处理直流信号的优势2.锁相放大器在直流信号处理领域的具体应用三、锁相放大器在实际应用中的挑战与应对策略1.锁相放大器在处理直流信号时可能遇到的挑战2.针对挑战的应对策略及解决方案四、总结1.锁相放大器在处理直流信号方面的贡献2.未来发展趋势及展望正文：锁相放大器是一种广泛应用于电子工程领域的信号处理设备，主要通过锁定相位来放大输入信号。
在处理直流信号方面，锁相放大器具有显著的优势。
本文将详细介绍锁相放大器的工作原理，以及在处理直流信号方面的应用和挑战。
首先，我们来了解锁相放大器的工作原理。
锁相放大器是一种模拟电子设备，主要通过比较输入信号与参考信号的相位差来实现信号放大。
当输入信号与参考信号的相位差达到一定程度时，锁相放大器会产生一个输出信号，该信号与输入信号具有相同的频率和相位。
通过这种方法，锁相放大器可以实现对输入信号的放大。
在处理直流信号方面，锁相放大器具有明显优势。
由于锁相放大器能够放大具有特定相位差的信号，因此在处理直流信号时，可以有效减小信号的噪声和失真。
此外，锁相放大器还具有较高的放大倍数和较宽的带宽，这使得其在处理直流信号时具有更高的精度和稳定性。
锁相放大器在直流信号处理领域的具体应用包括通信系统、自动控制、精密测量等。
例如，在通信系统中，锁相放大器可以用于放大微弱信号，从而提高通信质量；在自动控制领域，锁相放大器可以用于实现精确的信号处理和控制；在精密测量领域，锁相放大器可以用于放大微小信号，提高测量精度。
然而，在处理直流信号时，锁相放大器也面临着一些挑战。
例如，由于直流信号没有周期性，因此在处理过程中可能会出现相位锁定不稳定的问题。
为了解决这些问题，研究人员提出了多种应对策略。
例如，可以采用数字锁相放大器，通过数字信号处理技术实现对直流信号的稳定放大；还可以采用差分锁相放大器，通过差分放大技术减小信号的噪声和失真。
运用于MEMS磁传感器的数字锁相放大器
㊀２０２１年㊀第４期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．４㊀基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１５７７１８６）收稿日期：２０２０－０６－０１运用于ＭＥＭＳ磁传感器的数字锁相放大器梅晓东１，２，梁亨茂１，２，王文杰１，陆仲明１，熊㊀斌１（１．中国科学院上海微系统与信息技术研究所微系统技术重点实验室，上海㊀２０００５０；２．中国科学院大学，北京㊀１０００４９）㊀㊀摘要：文中研究了用于静电驱动－电磁感应敏感的ＭＥＭＳ磁传感器的数字锁相放大器电路㊂为了对该种传感器输出自调制的信号进行解调，基于ＡＲＭ微控制器设计了一种无需相位调整的双路数字锁相放大器㊂在参考通道的设计中，将驱动传感器处于谐振状态的正弦信号转为矩形波信号㊂应用电路测试结果表明：传感器输出信号的非线性度达０．２３％，迟滞性误差和重复性误差分别为０．０９％和０．２９％㊂数字锁相放大器能够有效而稳定地解调ＭＥＭＳ磁传感器输出信号，为具有输出信号调制特点的传感器提供一种可行的数字信号处理方案㊂关键词：ＭＥＭＳ磁传感器；正交解调；ＳＴＭＦ４处理器；数字锁相放大器；微弱信号检测；数字信号处理中图分类号：ＴＰ２１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０４－００５７－０５ＤｉｇｉｔａｌＬｏｃｋ⁃ｉｎＡｍｐｌｉｆｉｅｒＡｐｐｌｉｅｄｉｎＭＥＭＳＭａｇｎｅｔｉｃＳｅｎｓｏｒＭＥＩＸｉａｏ⁃ｄｏｎｇ１，２，ＬＩＡＮＧＨｅｎｇ⁃ｍａｏ１，２，ＷＡＮＧＷｅｎ⁃ｊｉｅ１，ＬＵＺｈｏｎｇ⁃ｍｉｎｇ１，ＸＩＯＮＧＢｉｎ１（１．ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００５０，Ｃｈｉｎａ；２．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ（ＵＣＡＳ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｄｉｇｉｔａｌｌｏｃｋ⁃ｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒａＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｉｃｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｄｒｉｖｉｎｇａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ⁃ｉｎｄｕｃｔｉｏｎｓｅｎｓｉｎｇ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｄｅｍｏｄｕｌａｔｅｔｈｅｓｅｌｆ⁃ｍｏｄｕｌａｔｅｄｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｆｒｏｍｔｈｅｓｅｎｓｏｒ，ａｔｗｏ⁃ｃｈａｎｎｅｌｄｉｇ⁃ｉｔａｌｌｏｃｋ⁃ｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｗｉｔｈｏｕｔｔｈｅｐｈａｓｅ⁃ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＡＲＭｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅｃｈａｎｎｅｌｓ，ｔｈｅｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｓｉｇｎａｌｕｓｅｄｆｏｒｄｒｉｖｉｎｇｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｎｉｔｓｒｅｓｏｎａｎｔｓｔａｔｅｗａｓｃｏｎｖｅｒｔｅｄｉｎｔｏａｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｗａｖｅｓｉｇ⁃ｎａｌ．Ｆｏｒｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔａｐｐｌｉｅｄｏｎｔｈｅｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｎｏｎ⁃ｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｅｒｒｏｒａｎｄｔｈｅｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌａｒｅａｂｏｕｔ０．２３％，０．０９％ａｎｄ０．２９％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｌｏｃｋ⁃ｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｓｔａｂｌｙｄｅｍｏｄｕｌａｔｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｏｆｔｈｅＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｉｃｓｅｎｓｏｒ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａｆｅａｓｉｂｌｅｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｆｏｒｓｅｎｓｏｒｓｆｅａｔｕｒｅｄｗｉｔｈｍｏｄｕｌａｔｅｄｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳｍａｇｅｎｅｔｉｃｓｅｎｓｏｒ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＳＴＭＦ４ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｄｉｇｉｔａｌｌｏｃｋ⁃ｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｗｅａｋｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ０㊀引言针对磁传感器发展面临的挑战，采用ＭＥＭＳ技术制作的磁传感器具有低成本㊁小型化㊁无磁滞和磁饱和以及与ＣＭＯＳ兼容等优点，也符合未来传感器的发展趋势［１－２］㊂为了对静电驱动－电磁感应敏感的ＭＥＭＳ磁传感器进行有效的数字信号处理，本文提出了一种具有矩形波参考信道的双路数字锁相放大器㊂锁相放大器常用于微弱信号的检测［３－４］，其根据相敏检波器实现方式不同又可以分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器㊂数字形式因为克服了模拟电路温漂㊁乘法器的非线性等缺点成为锁相放大器的重点研究对象［５－６］㊂赵婷婷等设计一种应用于时栅传感器的数字锁相放大器，该锁相放大器参考信号是通过处理器内部生成的，待解调信号的频率是固定的［７］㊂Ｊ．Ｇａｓｐａｒ等设计一种基于ＤＳＰ的锁相放大器，该锁相放大器通过锁相环的方式去锁定外部信号，但需要ＤＳＰ进行大量的运算［８］㊂本文所涉及的磁传感器是谐振式ＭＥＭＳ磁传感器，在传感器谐振频率未知的情况下，可以通过自激振荡的方式使传感器处于谐振状态，其输出信号微弱且自调制㊂通过将驱动传感器处于谐振状态的正弦信号转为矩形波信号，并利用微处理器内部查表的方式构建两路频率相同且相位差是９０ʎ的参考信号以供解调，来提高电路系统输出信号信噪比，电路系统对传感器信号的检测具有一定的适用性和参考价值㊂㊀㊀㊀㊀㊀５８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｐｒ．２０２１㊀１㊀ＭＥＭＳ磁传感器工作原理与制造本文研究的ＭＥＭＳ磁传感器利用了谐振原理和法拉第电磁感应定律㊂在梳齿电极产生的静电力驱动下，ＭＥＭＳ谐振器被激励至面内收缩－扩张的谐振模态（谐振频率约为３７．６ｋＨｚ），当该器件处于面外磁场时，位于谐振结构上的金属线圈切割磁力线，由法拉第电磁感应定律可知线圈两端将产生与外部磁场成正比的感应电压㊂这里，以４Ｓ梁型ＭＥＭＳ磁传感器为例，其输出电压可表示为ε＝ＮＢＬｎε０ｈｃｇＶｄＶａ（１）式中：Ｎ为线圈匝数；Ｂ为面外磁场强度；Ｌ为单匝线圈长度；ｎ为梳齿对数；ε０为真空介电常数；ｈ为梳齿厚度；ｃ为空气阻尼系数；ｇ为梳齿间隙；Ｖｄ为直流偏置电压；Ｖａ＝ｖａｓｉｎ（ωｔ）为交流驱动电压㊂由式（１）可以看到，当直流偏置电压和交流驱动电压幅度保持不变时，传感器输出电压与磁场强度成线性关系［９］㊂该ＭＥＭＳ磁场传感器的制造基于ｓｉｌｉｃｏｎ⁃ｏｎ⁃ｇｌａｓｓ（ＳＯＧ）体硅制造工艺，主要包括：（１）利用ＫＯＨ腐蚀在４英寸ｐ型（１００）的器件硅晶圆（０．０１３Ω㊃ｃｍ，厚度４００μｍ）上形成深度为５０μｍ的空腔结构；（２）将器件硅晶圆的空腔结构一侧与４英寸Ｐｙｒｅｘ玻璃衬底晶圆（厚度４５０μｍ）进行阳极键合，并利用ＫＯＨ腐蚀将键合后的器件晶圆减薄至１００μｍ；（３）在器件硅片减薄一侧采用等离子化学气相沉积厚度为１μｍ的氧化硅层，并在光刻后利用反应离子刻蚀进行图形化；（４）随后溅射厚度为０．４μｍ的铝薄膜，并进行光刻和腐蚀以形成第１层金属铝线圈和相应的金／半接触电极；（５）类似地，采用绝缘层的等离子化学气相沉积和金属的溅射，并通过光刻㊁刻蚀与腐蚀工艺组合，形成第２层金属铝线圈；（６）通过深反应离子刻蚀对器件硅晶圆的可动结构进行释放，并进行退火工艺㊂实验制备的谐振式ＭＥＭＳ磁传感器ＳＥＭ照片如图１所示㊂图１㊀采用静电力驱动的ＭＥＭＳ磁传感器ＳＥＭ照片２㊀锁相放大器的原理基于传感器输出信号与磁场强度成正比例关系，利用数字锁相放大的技术从噪声中提取传感器的有用信号㊂锁相放大器的原理图如图２所示㊂图２㊀锁相放大器的原理图单通道锁相放大器的原理图如图２（ａ）所示㊂假设输入信号为ｘ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｎ（ｔ）（２）式中：ｓ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（ω０ｔ），Ａ为有用信号的幅度，ω０为有用信号的频率；ｎ（ｔ）为噪声㊂假设参考信号为ｒｓ（ｔ）＝ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ）（３）式中φ为输入信号与参考信号的相位差㊂输入信号与参考信号进行相敏检波器（ＰＳＤ）乘法运算之后为ｘ（ｔ）ｒｓ（ｔ）＝［Ａｓｉｎ（ω０ｔ）＋ｎ（ｔ）］ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ）＝Ａ２［ｃｏｓφ＋ｃｏｓ（２ω０ｔ＋φ）］＋ｎ（ｔ）ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ）（４）输入信号经过ＰＳＤ，由式（４）可知当前信号为原来信号与参考信号的和频与差频，从而完成频谱的迁移过程㊂再通过低通滤波器（ＬＰＦ）后，滤除除差频外的其他分量，得到直流输出结果为Ｑ＝Ａ２ｃｏｓφ（５）由式（５）得知，单通道锁相放大器的解调结果存在一个输入信号与参考信号的相位角偏差㊂而相比较于单通道锁相放大器，双路锁相放大器可以消除相位角偏差对最后解调结果的影响［１０］㊂双通道式锁相放大器如图２（ｂ）所示㊂假设另一路参考信号为ｒｃ（ｔ）＝ｃｏｓ（ω０ｔ＋φ）（６）经过后续的相敏检波器和滤波器之后为Ｉ＝Ａ２ｓｉｎφ（７）㊀㊀㊀㊀㊀第４期梅晓东等：运用于ＭＥＭＳ磁传感器的数字锁相放大器５９㊀㊀两路信号通过幅度计算，即可消除相位角对解调幅值的影响㊂Ａ＝２Ｉ２＋Ｑ２（８）由以上分析可以得知，锁相放大器本质上是一个Ｑ值很高的带通滤波器，其中心频率就是要待解调的信号频率㊂而参考通道的设计也就成为了锁相放大器设计的重点㊂３㊀参考通道的设计常见的参考通道的设计一般是由处理器内部产生或者通过外部锁相环的方式获得一个与外部频率相同且相位差恒定的参考信号㊂但前者运用的前提条件是信号频率已知，而后者需要大量的运算，所以这两种方法都不适用于本文的传感器㊂针对本文的ＭＥＭＳ磁传感器，需要设计专门稳幅的自动增益控制模块去追踪传感器的谐振频率㊂因此，在参考通道的设计过程中，要充分引用该谐振信号㊂如果在参考通道中直接通过模数转换器（ＡＤＣ）采样该谐振信号，假设采样频率为ｆｓ，微处理器内部通过傅里叶变换识别外部信号，傅里叶变换点数为Ｎ㊂那么，频谱分辨率ｆｎ为ｆｎ＝１Ｎˑｆｓ（９）根据式（９），以ｆｓ为１００ｋＨｚ，Ｎ为１０２４为例㊂理论上可得到该种方法的频率最大偏移量为９７Ｈｚ㊂因此，在实际应用中，该种方法的测量误差较大㊂相比较于正弦波，微处理器对脉冲信号的处理能力要更强㊂因此，考虑到微处理器对外部信号频率识别能力，在此选择将正弦信号整形为矩形波供微处理器识别㊂在此，通过运放构建的施密特触发器完成正弦信号转矩形波信号，电路原理图如图３所示㊂图３㊀施密特触发器构成的波形变换电路由表１实测的数据可得，微处理器对于矩形波的识别能力在１０Ｈｚ到４０ｋＨｚ的频率范围内达到了１２Ｈｚ㊂下面对解调过程中频率偏移对最后解调幅值的精度影响进行分析㊂表１㊀信号真实频率和ＭＣＵ检测频率信号真实频率／ＨｚＭＣＵ检测值／Ｈｚ１００１００３２０３２０８９４８９４１５００１５００２０１４２０１４１０２３６１０２３６１４５８７１４５８６３０１４９３０１４８４０１５８４０１５７㊀㊀假设输入信号为ｘ（ｔ）＝Ｕｓｓｉｎ（２πｆｓｔ＋φ）＋ｎ（ｔ）（１０）式中：ｎ（ｔ）为方差为σ２零均值白噪声；Ｕｓ为输入有用信号的幅度；ｆｓ为有用信号的频率；φ为有用信号的初始相位㊂参考信号为ｒ（ｔ）＝Ｕｒｓｉｎ（２πｆｒｔ）（１１）式中：Ｕｒ为参考信号的幅值；ｆｒ为参考信号的频率㊂以采样频率ｆｃ分别采样输入信号ｘ（ｔ）和参考信号ｒ（ｔ），然后再求平均，得到：Ｕ０（ｔ）＝１ＮðＮｉ＝１ｘ（ｉτ）ｒ（ｉτ）（１２）式中：τ＝１／ｆｃ为采样周期；Ｎ为采样数据的长度㊂对ｘ（ｔ）ｒ（ｔ）的Ｎ次采样值叠加相当于ｙ（ｔ）＝ʏ＋ɕ－ɕｘ（ｔ１）ｒ（ｔ１）［δ（ｔ－ｔ１）＋＋δ（ｔ－ｔ１－（Ｎ－１）τ）］ｄｔ（１３）式（１３）中，可以求得冲击响应为ｈ（ｔ）＝δ（ｔ）＋δ（ｔ－τ）＋＋δ［ｔ－（Ｎ－１）τ］（１４）对式（１４）进行傅里叶变换，得到该系统的响应为Ｋ（ｊΔω）＝ʏɕ－ɕðＮ－１ｋ＝０δ（ｔ－ｋτ）ｅ－ｊΔωｔｄｔ＝ðＮ－１ｋ＝０ｅ－ｊｋΔωτ＝１－ｅ－ｊＮΔωτ１－ｅ－ｊΔωτ（１５）式中：Δω＝２πΔｆ为频率偏移量㊂对式（１５）取平均，最终得到幅频响应为Ｋ（Δω）＝１Ｎ１－ｅ－ｊＮΔωτ１－ｅ－ｊΔωτ＝１Ｎｓｉｎ（ＮΔωτ／２）ｓｉｎ（Δωτ／２）（１６）式中Ｋ为解调幅度的归一化数值［１１］㊂㊀㊀㊀㊀㊀６０㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｐｒ．２０２１㊀将Δｆ＝１Ｈｚ和９７Ｈｚ代入到式（１６）中，得到的Ｋ值分别为０．９８和０．０２㊂解调幅度的归一化数值越小，意味着解调还原的数值偏离真实值越大，也即解调精度将会大大降低㊂４㊀数字接口电路设计整个数字锁相放大器的数字接口电路设计如图４所示㊂模数转换器采用的是ＡＤ７６９１，该模数转换器是１８位逐次逼进型ＡＤＣ，通过４线ＳＰＩ接口与ＳＴＭ３２Ｆ４２９微处理器进行通信㊂ＳＴＭ３２Ｆ４２９的内核为Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４，内核里面包含的ＦＰＵ（浮点处理单元）能够实时处理传感器信号㊂另外考虑到该ＭＣＵ的ＲＡＭ只有２５６ＫＢ，难以存储大数据量磁场数据㊂该ＭＣＵ通过可变存储控制器（ＦＭＣ）外扩内存，将ＳＤＲＡＭ的地址分配到ＳＴＭ３２的Ｅｘｔｅｒｎａｌｄｅｖｉｃｅ单元之内，解决ＭＣＵ大数据量的存储问题［１２］㊂当ＭＣＵ实时解调回传感器信号之后，通过ＵＳＢ转串口电路实时上传数据至上位机㊂图４㊀数字接口电路设计５㊀数字锁相放大器的零偏理论上，在数字解调过程中，零偏应该为０，以下进行分析㊂假设输入序列为ｘ（ｋ）＝Ａｓｉｎ（２ｋπＮ＋θ）＋ＤＣ（１７）式中：ＤＣ为直流偏置；Ｎ＝ｆｓ／ｆ，ｆｓ为采样频率，ｆ为信号频率；Ａ为有用信号幅度；θ为输入系列与参考系列相位差角㊂参考序列为Ｒｓ（ｋ）＝ｓｉｎ（２ｋπＮ）（１８）Ｘ（ｋ）与Ｒｓ（ｋ）进行互相关运算，可以得到的信号为１ＭðＭ－１ｋ＝０ｘ（ｋ）Ｒｓ（ｋ）＝Ａ２ｃｏｓθ－Ａ２ＭðＭ－１ｋ＝０ｃｏｓ（４ｋπＮ＋θ）＋１ＭðＭ－１ｋ＝０［ＤＣ㊃ｓｉｎ（２ｋπＮ）］（１９）若是整周期抽样，则式（１９）又可以写成式（２０）㊂１ＭðＭ－１ｋ＝０Ｘ（ｋ）Ｒｓ（ｋ）＝Ａ２ｃｏｓθ（２０）因此，在数字解调过程中，理论上直流偏置不会影响最后的解调结果㊂６㊀软件设计软件设计主要包括数字参考频率的生成㊁ＰＳＤ乘法器的设计和低通滤波器的设计㊂相比较于模拟参考信号的幅值随着温度发生漂移，在处理器内部生成参考信号具有幅值固定，不随温度发生漂移等优点㊂在外部扩展ＳＤＲＡＭ的ＭＣＵ得以解决大数据量的存储问题之后，利用查表方式构建两路频率相同，相位角相差９０ʎ的参考信号㊂在ＭＣＵ内部存储０ ２π等相位间距的正弦信号值，以相应的表频率物理量从而获得特定信号频率情况下的正弦信号值所对应的相位值，根据信号相位值即可确定正弦信号值㊂当锁定放大器需要２路ＰＳＤ乘法器时，对应的查表方式的相位值相差９０ʎ㊂模数转换器在采样磁场数据之后，与对应的双路参考信号通过ＰＳＤ点乘完成频谱的迁移工作㊂在传感器输出信号淹没于白噪声的情况下，利用均值滤波器完成最后滤波的设计过程㊂整个软件的设计流程如图５所示㊂图５㊀软件解调的程序流程图７㊀测试结果为验证该数字锁相放大器应用在ＭＥＭＳ磁传感器上的性能，对ＭＥＭＳ磁传感器进行测试㊂精密电流源Ｆ２０３１给ＰＥＭ４０电磁铁供电从而产生稳定的恒定磁场㊂磁场强度由ＣＨ１８００高斯计（磁场分辨率为０．１μＴ）标定㊂参考信号分别采用正弦信号和矩形波信号时，ＭＣＵ实时解调传感器输出数据如图６所示㊂由图６可知，参考信号采用矩形波方式，传感器输㊀㊀㊀㊀㊀第４期梅晓东等：运用于ＭＥＭＳ磁传感器的数字锁相放大器６１㊀㊀图６㊀传感器输出电压与磁场强度关系图（参考信号采用正弦波和矩形波）出电压与磁场强度成线性关系㊂非线性度为０．２３％，标度因子为１７．６２Ｖ／Ｔ㊂而采用正弦波方式，测量得到的非线性度为６．０８％，标度因子下降为２．２４７Ｖ／Ｔ㊂相比较于参考信号采用正弦波方式，采用矩形波方式的电路结构简单，非线性度降低为原来的１２６，标度因子提高８倍左右㊂因此，相比较于参考通道采用正弦信号，处理器对矩形波的处理，解调精度会显著提升㊂同时，参考通道采用矩形波方式的情况下，系统的放大倍数设定为１００００倍㊂磁场强度由１ｍＴ逐步上升到１０ｍＴ左右，以１ｍＴ步进㊂设定电路工作后，正反行程来回测量３次，测量得到的数据如图７所示㊂图７㊀迟滞性和重复性测试关系图由图７可知，传感器输出信号的迟滞性误差和重复性误差分别为０．０９％和０．２９％㊂为验证零偏大小，将传感器置于磁屏蔽桶内，放大倍数设置为１００００倍，分别测得传感器零偏输出电压如图８所示㊂由图８可以看出，参考通道采用矩形波方式零偏输出电压明显比采用正弦波方式小，这和简化电路结构有着密切的关系㊂参考通道采用矩形波方式输出（ａ）参考通道采用矩形波（ｂ）参考通道采用正弦波图８㊀传感器置于磁屏蔽桶内输出电压零偏电压平均值为１０．０１ｍＶ，峰峰值为０．６７ｍＶ㊂而参考通道采用正弦波方式零偏电压的平均值为３０．５４ｍＶ，峰峰值为５９．３ｍＶ㊂传感器零偏输出电压不为０的情况，主要是由于驱动电压串扰至传感器输出端所致㊂８㊀结束语针对ＭＥＭＳ磁传感器输出信号自调制的特点，设计了无需相位调整的双路数字锁相放大器㊂在参考通道的设计过程中，将正弦波转为矩形波，在ＡＲＭ微处理器内通过查表方式构建参考信号㊂将该数字锁相放大器应用在ＭＥＭＳ磁传感器上，在参考通道中采用矩形波的方式非线性度为０．２３％，标度因子为１７．６２Ｖ／Ｔ㊂相较于参考通道采用正弦波，非线性度降低为原来的１２６，标度因子提高８倍左右㊂测试结果表明，运用在ＭＥＭＳ磁传感器上的锁相放大电路工作正常，为该类传感器信号的实时解调提供一种解决方案㊂参考文献：［１］㊀ＬＩＵＳ，ＸＵＨ，ＸＵＤ，ｅｔａｌ．ＭｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｒｅｓｏｎａｎｔＭＥＭＳｍａｇ⁃ｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｓｅｎｓｉｎｇ［Ｊ］．Ｓｏｌｉｄ⁃ＳｔａｔｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１７，１３２：９１－９８．［２］㊀ＬＩＵＳ，ＬＩＡＮＧＨ，ＸＩＯＮＧＢ．Ａｎｏｕｔ⁃ｏｆ⁃ｐｌａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｒｅｓｏｎａｎｔＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ．Ａ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ，２０１９，２８５：２４８－２５７．（下转第１１１页）㊀㊀㊀㊀㊀第４期刘雨豪等：基于ＭＦＯ算法的无刷直流电机模糊控制设计１１１㊀㊀图７㊀三种控制系统的转速曲线图６㊀结论本文提出了一种在线优化模糊控制器的新方法，设计了基于飞蛾火焰算法优化的模糊控制器，该算法具有优秀的寻优能力㊂文中建立了ＢＬＤＣＭ仿真模型，编写了ＭＦＯ算法的ｍ文件，应用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行了仿真实验进行验证，结果显示其能够较好的实现无刷直流电机的速度控制，控制性能明显优于传统ＰＩＤ控制器和普通的模糊控制，具有较高的控制精度㊂参考文献：［１］㊀韩仁银，郭阳宽，祝连庆，等．基于霍尔传感器的无刷直流电机改进测速方法［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１７（１０）：１１５－１１７．［２］㊀田海林，宋珂炜，董铂龙，等．基于粒子群神经网络的无刷直流电机控制方法［Ｊ］．电力电子技术，２０１９，５３（１２）：１０６－１１０．［３］㊀李晓含，王联国．改进细菌觅食算法在ＰＩＤ参数整定中的应用［Ｊ］．传感器与微系统，２０１８，３７（８）：１５７－１６０．［４］㊀方炜，张辉，刘晓东．无刷直流电机双闭环控制系统的设计［Ｊ］．电源学报，２０１４（２）：３５－４２．［５］㊀杨昕红，刘长文．基于ＭＡＴＬＡＢ的直流无刷电机模糊ＰＩＤ控制设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１９（１１）：１０５－１０８．［６］㊀管先翠．基于粒子群优化算法的无刷直流电机控制策略研究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０１５．［７］㊀耿文波，周子昂．改进粒子群算法优化的ＢＬＤＣＭ调速系统研究［Ｊ］．控制工程，２０１９，２６（９）：１６３６－１６４１．［８］㊀方文茂．利用遗传算法优化模糊控制器参数研究［Ｄ］．长春：长春理工大学，２０１６．［９］㊀ＭＩＲＪＡＬＩＬＩＳ．Ｍｏｔｈ⁃ｆｌａｍｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ：ａｎｏｖｅｌｎａ⁃ｔｕｒｅ⁃ｉｎｓｐｉｒｅｄｈｅｕｒｉｓｔｉｃｐａｒａｄｉｇｍ［Ｊ］．Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ⁃ＢａｓｅｄＳｙｓ⁃ｔｅｍｓ，２０１５，８９：２２８－２４９．作者简介：刘雨豪（１９９６ ），硕士研究生，主要研究方向为嵌入式软硬件㊁电机控制，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｙｈ０３１４１００１＠１６３．ｃｏｍ廖平（１９６４ ），教授㊁博士生导师，主要研究方向为机电一体化㊁智能算法与控制㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉａｏｐｉｎｇ０＠１６３．ｃｏｍ（上接第６１页）［３］㊀ＲＡＨＭＡＮＮＵＲＩＨ，ＲＩＶＡＩＭ，ＳＡＲＤＪＯＮＴＡ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｄｉｇｉｔａｌｌｏｃｋ⁃ｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｆｏｒｌｏｗｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｇａｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｃ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｅｍｉｎａｒｏｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩＴＳＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１７：３１９－３２２．［４］㊀陈浩，闫树斌，郑永秋，等．应用于谐振式光纤陀螺的双相位锁相放大器的设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１４（１１）：９３－９５．［５］㊀ＳＯＮＮＡＩＬＬＯＮＭＯ，ＵＲＴＥＡＧＥＲ，ＢＯＮＥＴＴＯＦＪ．Ｈｉｇｈ⁃ｆｒｅ⁃ｑｕｅｎｃｙｄｉｇｉｔａｌｌｏｃｋ⁃ｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｕｓｉｎｇｒａｎｄｏｍｓａｍｐｌｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２００８，５７（３）：６１６－６２１．［６］㊀范松涛，周燕，潘教青，等．基于ＦＰＧＡ的数字锁相放大器在气体探测中的应用［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１２，２０（１１）：３０２７－３０２８．［７］㊀赵婷婷，王先全，姜增晖，等．基于数字锁相放大的时栅传感器信号处理研究［Ｊ］．工具技术，２０１７，５１（４）：８７－９２．［８］㊀ＧＡＳＰＡＲＪ，ＣＨＥＮＳＦ，ＧＯＲＤＩＬＬＯＡ，ｅｔａｌ．Ｄｉｇｉｔａｌｌｏｃｋｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ｓｔｕｄｙ，ｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗｉｔｈａｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ＆Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，２００４，２８（４）：１５７－１６２．［９］㊀高华磊，徐德辉，刘松，等．谐振式ＭＥＭＳ磁传感器接口电路设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１６，３５（１１）：９２－９４．［１０］㊀ＧＯＮＺＡＬＯＭＢ，ＲＯＤＲＩＧＵＥＺＲＪ，ＧＥＯＲＧＩＮＡＭＶ，ｅｔａｌ．Ｄｕａｌ⁃ｐｈａｓｅｌｏｃｋ⁃ｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡｆｏｒｌｏｗ⁃ｆｒｅ⁃ｑｕｅｎｃｉｅｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ，２０１６，１６（３）：３７９．［１１］㊀刘越，刘富，戴逸松．参考信号频率自调整的数字相敏检波器算法的研究［Ｊ］．计量学报，１９９８，１９（４）：３１２－３１６．［１２］㊀赵俊杰，郝育闻，郭璐璐，等．数字锁相放大器的实现研究［Ｊ］．现代电子技术，２０１２，３５（３）：１９１－１９５．作者简介：梅晓东（１９９４ ），硕士研究生，研究方向为传感器接口电路㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｍｅｉｘｄ＠ｍａｉｌ．ｓｉｍ．ａｃ．ｃｎ通信作者：熊斌（１９６２ ），博士，研究员，研究方向为ＭＥＭＳ器件及其相关技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｂｘｉｏｎｇ＠ｍａｉｌ．ｓｉｍ．ａｃ．ｃｎ。
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输出用作被测信号 的同步调制 ） 由于参考触发 整 ，
形电路的存在 ， 只要求外部参考信号在一个周期 内
有 ２个过 零 点 ， 且 有 一 定 的 幅 度 ， 就 意 味 着 方 并 这
Ｖｓ ０， ｒｎ 由上 述 两路输 出 可 以计 算 出被 测 信号 ｉ
１
＝
Байду номын сангаас
波、 三角波和其他信号 以及如 １ Ｌ信号或逻辑电平 Ｔ ｒ 等， 都可 以像 正 弦信号 一样作 为 参考 信号 使用 ； 内部
实 验技术
信 号 输入 ＢＩ ／
参考
输入
ＴＴ ＲＥ Ｉ Ｌ Ｆ Ｎ ＲＥ Ｉ Ｆ Ｎ
图 ｌ 模拟 锁 相放 大 器 （ Ｉ 的典 型 结 构 ＡＬＡ）
号 输入通 道 、 考输 入通 道 、 参 相敏 检波器 和正交 相敏 检 波器 、 出通 道 、 处 理 器 和辅 助 数 字 部 分 组 成 ． 输 微
项， 保留差频项 ， 最后输出的直流信号与被测信号的
振 幅成 正 比 ， 关 系可 用下式 简单 表示 ： 其
Ｕ （ ）＝ ｋ ｓｒｏ０ ｔ Ｖ Ｖｃ ｓ ， （） １
式中 Ｕ 是低 通 滤波 器输 出信 号 ， 是输入 信号 的幅
电压信号的情况下 ， 端电压输入方式是常用 的方 单 式， 如果信号中存在共模干扰信号 ， 就采用差分输入
方 式． 噪声前 置放 大 器 的增 益 可调 ， 低 也可 根据频 率 和 源 阻抗选 择 最小 噪声 因子 的外 接低 噪声 前放 或 阻 抗 匹配 变压器 ． 滤波 器组 主要 分 为陷波 滤 波器 、 组合 滤 波器 ． 陷波滤 波 器 是 滤 除工 频 及 其 二 次谐 波 的 干
２０ ０ ０ ６— ８—１ ４收 到 十 通 讯 联 系人 ． ｍ ｉ： ｈｎｉ ｕ＠ｘａｘ ｏ ｎ．ｒ Ｅ ａｌ ｃｅｊ ｇｉ ｉｏｉ ｔ ｇｏｇ ａ ａｏ
能， 可以实现由计算机控制 的监视和显示等辅助功
３ ５卷 （０ ６年 ）０期 ２０ １
・
８ ９・ ７
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的相位 差 ） 振 幅也 应 该 是 固定 不 变 的常 量 ， ， 只有 在 这 些 条件 都 满 足 的情 况 下 ，Ｉ 的直 流 输 出 信号 才 ＬＡ
扰； 组合滤波器可灵活组成低通 、 高通 、 带通和陷波
４种模 式． 考 输 入 通 道 由参 考 触 发 、 参 内部 时 钟 、 可 调 相 移 器 和 ９ 。固 定 相 移 器 组 成 ０ ７ 。可 变 移 ０ —３０ 相． 参考输 入 可用 外 部输 入 ， 内部 时钟 信 号 （ 可 或 也
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实验技术
锁 相 放 大器 的新 进展
孙志 陈 斌 佳圭
（ 中国科学 院物理研究所 北京 １０ ８ ） ００ ０
摘
要
主要介绍 了模拟锁相放大器和数字锁相放大器原理 、 特点、 过渡 和发展过程． 通过数 字锁相放大器 的硬件
的模块 化结构 、 活的算法设计 、 灵 软件 的升级能力 、 应用 的范 围和特点 以及性价 比等 ， 明锁相 放大器 发展 的前 景和 说
调 节误 差 对测 量准 确性 的影 响 ． Ａ Ｉ 的进步 是微 控制 器 的应 用 ， １ 出 了两 ＬＡ 图 示
物 理
步解调器） 主要作用是将输入信号 与参考信号 （ ， 正
・
８ ０・ ８
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实 验技术
种常用数字通信接 口， ２２串行通信接 口和虚拟 即 ３
真正反映实际信号的变化．
正 交矢 量 锁相 放大 器是 多 了一个 正交 相 敏检 波
器， 两个 相 敏检 波器 的工作 原理 完全 相 同 ， 唯一 差别 就 是正 交相 敏 检波 器 的参 考输 入 多 了一个 ９ 。 移 ０相 器 ， 同相 输 出 为 ，＝ｋｓｒｏ０ ， 交输 出则 为 Ｑ 当 ＶＶｃＳ 时 正
（ｎｔｕ ｈｓ ｓ ｈｎｓ Ａａ ｅ ｙｏ Ｓｉ ｃ， ｅｉ ０ ０ ０， ｈｎ ） Ｉｓｔｔ ｏ ｙｉ ，Ｃ ｉｅｅ ｃｄｍ ｃ ｎｅ Ｂ ｉｎ １０ ８ Ｃ ｉ ｉ ｅ ｆＰ ｃ ｆ ｅ ｊｇ ａ
Ａ ｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ Ｔ ｉ ｅ ｉｗ ｉｅ ｎ ｉｔｏ ｕ ｔｏ ｏｔ ｅｐｒ ｃｐｅ，ｃ ａ ａ ｔｒａ ｄ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆｔ ｅａ ａｏ ｎ ｉ－ ｈ ｓｒｖｅ ｇｖ ｓａ ｎ ｒ ｄ ｃｉｎ ｔ ｈ ｉ ｉ ｌ ｎ ｈ ｒ ｃｅ ｎ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｏ ｈ ｎ ｌｇａ ｄ ｄｇ
动力．
关键词
模拟锁相放大器 ， 字锁相放大器 ， 数 正交相关算法 ， 字锁相 环 ， 数 数字低通滤波
Ａｄ ａ ｃ ｆ ｌ ｃ ｉ ｍ ｐ ｉ ｅ ｖ ｎ ｅ ｏ ｏ ｋ—ｎ ａ ｌ ｒ ｉ ｆ
Ｓ Ｎ Ｚ ｉ ｉ Ｕ ｈ． ｎ ． Ｂ Ｃ Ｎ ＪａＧｕ ｔ ＨＥ ｉ． ｉ ．
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒｓ
ａ ａｏ ｏ ｋｉ ｍｐｉｅ ，ｄｇｔｌｌ ｋｉ ｍｐｉｅ，ｏｔｏｏ ａ ｅｔｒａ ｔｍｅｉ，ｄｇｔｌｐ ａｅ ｎ ｌｇ ｌｃ — ａ ｌ ｒ ｉｉ ｏ － ａ ｌ ｒ ｒ ｇ ｎ ｌｖ ｃｏ ｒ ｈ ｔ ｎ ｉ ｆ ａ ｃ ｎ ｉ ｆ ｈ ｉ ｃ ｉ ａ ｈ ｓ ｉ
时 钟产 生 内部相位 开 关来 驱动 相敏检 波 器和正 交 相 敏 检波器 ， 仪器 运行 于正 交 的双 相 Ａ Ｉ 式 ． 使 ＬＡ模 相
的幅 度和相 位 ：
一 ｎ
￣， ／２＋Ｑ ， ＝ａｃａ （ ） ０ ｒｔｎ ．
，＝ ｒ ｉ １
（） ２
如 果 同相输 出与 正 交 输 出通 过 Ａ Ｃ转换 为数 字 信 Ｄ
等） 未来科 学研究 不仅对微弱信号检测技术 提出 ，
更 高 的要求 ， 同时新 的科 学 技术 发 展反 过 来 促 进 了 微弱 信号 检测新 原 理和新 方法 的诞 生 ¨ ． ｊ 早 期 的 ＬＡ是 由模 拟 电路 实 现 的 ， Ｉ 随着 数 字 技 术 的发 展 ， 出现 了模 拟 与 数字 混 合 的 ＬＡ， Ｉ 这种 ＬＡ Ｉ 只是 在信 号输入 通 道 ， 考 信 号 通 道 和输 出通 道 采 参 用 了数字 滤波器 来 抑 制 噪 声 ， 者 在模 拟 锁 相 放 大 或 器（ 称 Ａ Ｉ 简 ＬＡ）的 基 础 上 多 了 一 些 模 数 转 换 （ Ｄ 、 模 转 换 （ Ａ 和 各 种 通 用 数 字 接 口功 Ａ Ｃ） 数 Ｄ Ｃ）
测 技术 和仪 器 的不 断进 步 ， 已经 在很 多 科 学 和 技术 领 域 中得 到广泛 的应 用 （ 电 、 、 、 、 、 导 、 如 光 磁 声 热 超
振动等测量 ； 各种谱仪 、 电镜扫描探头 、 原子力显微
镜等应用； 以及 Ａ 阻 抗 测 量 、 Ｃ桥 、 馈 控 制 环 Ｃ Ａ 反
号， 在数字信号处理单元中， 按照 （ ） ２ 式的算法计算 出被测信号的幅值和相位 ， 并将数字形式 的幅值和 相位通过 Ｄ Ｃ转换为模拟信号． 交矢量 Ａ Ｉ 由 Ａ 正 Ｌ Ａ 于能计 算 出被 测信 号 的 幅值 和 相 位 ， 以避 免 在 测 可 量时对参考信号做 可变 的移相调节 ， 可避免移相的
移器的调节使输入信号 与参考信号的相位差为零． 在 双相位 Ａ Ｉ 中 ，０ 相移 器输 出一 个 与输 入 信 号 ＬＡ ９。 正交的参考信号 ， 用来驱动两个相敏检波器 ， 同样通
过后 续 的低通 滤 波器 ， 分别 检测 被测 信号 ， 经过 直 流 放 大器 由电压 表显 示 其结 果． 相 敏检 波器 实 质是 个 模 拟 乘 法器 （ 或称 同
１ 模拟锁相放大器 （ ＬＡ） ］ ＡＩ
以 ＳＧ Ａ Ｅ Ｏ Ｅ Ｙ公 司 的产 品为 例 ，Ｉ－ ＩＮ ＬＲ Ｃ Ｖ Ｒ ＳＧ
Ｎ ＬＲ Ｃ Ｖ Ｒ Ａ Ｅ Ｏ Ｅ Ｙ公 司 的 ５ ０ 、２ ０和 ５ ０ 、 １６ ２９ ５１ １５ ５０
型是通用 的 Ａ Ｉ ， Ｉ ＬＡ 图 是其典型的结构 ， 主要 由信
ｉ ｌｌｃ —ｎ ａ ｌ ｉｒ ｔ ｏ ｋ ｉ ｍｐ ｉ ｅ ．Ｅｓ ｅ ｉｌ ａ ｆ ｐ ｃａｌ ｙ，ｔ ｅｄｇｔ ｌｌｃ —ｎ ａ ｌ ｅ ａ ｈ ｏｌｗｉｇ ａ ｖ ｎ ａ ｅ ｈ ｉｉ ｏ ｋ ｉ ｍｐ ｉ ｒｈ ｓｔ ｅｆｌ ａ ｉ ｆ ｏ ｎ ｄ ａ ｔｇ ｓ：ｔｅ ｍｏ ｅ ａｄ ｒ ， ｈ ｄ ｌｈ ｒ ｗａ ｅ ｆ ｘｂ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｉ ｌ ｉｌ ｒ ｈ ｔ ｅ ｉ ｃ，ｕ ｄ ｔｂｅ ｓ ｆ ｒ ｅ，ｅ ｔｎ ｉｅ ａ ｐｉａｉｎ ａ ｄ ｌｗ ｏｔ ｏ ｔ ｅｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆｔ ｅ ｌｃ —ｎ ａ ｐ ａａ ｌ ｏｔ ｗａ ｘｅ ｓｖ ｐ ｌ ｔｏ ｎ ｏ ｃ ｓ．Ｓ ｈ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｏ ｏ ｋ ｉ ｍ－ ｃ ｈ ｐｉｉｒｗ ｕｄ ｈ ｖ ｒｇ ｔｆ ｔｒ ｎ ｏ ｒｕ ｔｅ ｇｈ ｌ ｅ ｏ ｌ ａ ｅ ａ ｂ ｈ ｕｕ ｅ ａ ｄ ｐ ｗｅｆ ｌｓｒｎ ｔ ． ｆ ｉ
弦或方波） 相乘 ， 其结果会 出现输 入信号与参考信
号 的差频 项 及 和频 项 ， 通 过 低 通 滤 波 器 滤 除 和频 再
输入通道包括信号输入 、 低噪声前置放大 、 电流电压
转换 、 和组 合 滤 波 器 ． 放大 信号 输 入 有 ３种 方 式 ： 单 端 电压输入 、 分 电压输 入 和 电流输入 方 式 ， 以适 差 可 应 被测 信号 为 电压 和 电流 两 种形 式 ． 被 测信 号 为 在
设备 通 用 的 Ｇ Ｉ ＰＢ接 口． 过 这 ２个 接 口可 以用 计 通
人所需要的参考信号频率值 ， 就可 以在所选定 的频 率上产生数字相敏检波处理单元所需 要的相位信
ｌｃ ｅ ｏ ．ｄｇｔｌ Ｏ ａｓｆｔｒ ｏ ｋ ｄ ｌ ｐ ｉ ａ ｌＷ ｐ ｓ ｌ ｏ ｉ ｉｅ
１６ ９ ２年 ， 国 Ｅ ＆Ｇ Ｐ Ｒ ＳＧ Ａ Ｅ Ｏ － 美 Ｇ Ａ Ｃ（ Ｉ Ｎ Ｌ Ｒ Ｃ Ｖ