锁相放大器的工作原理

说明:
适合于锁相放大器检测的信号应该是单频率的，或者说传导频谱所占宽度是较窄的，也就是要求信号所携 带的检测量(信息)的变化是很缓慢的，否则检出的信息就会因丢失高额分量而畸变。
为了保证被测信号和参考信号的同频同相，在被测信号的频率和相位事先不确定的情况下通常采用频率跟踪和 相位锁定技术；但更多的作法是利用参考信号对被测信号进行斩波或调制，使被测信号和参考信号同步变化。
这样，由于锁相放大器的同步检相作用，只允许和参考信号同频同相的信号通过，所以它本身就是一个带通滤 波器。 它的Q值可达108，通频带宽可达0.01Hz，因此，锁相放大器有良好的改善信噪比的能力。
上式表明:
(a)在输入信号中只有那些与参考信号同频率的分量才使频差为零，得到直流的输出信号，因此这种方法 最适合于调幅信号的检测。
(b) 输出信号幅度还取决于输入信号和参考信号间的相位差。 只有θ ＝0时，才有最大的信号输出，而θ ＝π/2时，输出信号为零。
也就是说，在输入信号中只有被测信号本身由于和参考信号有同频同相关系而能得到最大的直流输出。
锁相放大器
锁相放大器是一种通用的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锁相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（或倍频）、同相的噪声分量有响应。 因此能大幅度抑制无用噪声，提高检测灵敏度和信噪比，它是弱信号检测的一种有效仪器。
锁相放大器的基本组成: 信号通道; 参考通道; 相敏检波器(核心部件)。
电子开关式相敏检波器的输出等效为被测信号与幅度为1、占空比为50％的方波信号的乘积。
参考信号常采用间隔相等的双极性方波信号，中心频率锁定在被测信号频率上。这种相敏检波器也称开关混频 器。
这个开关电路输出信号的极性是由输入信号和参考信号间的相位决定的。 当Us和Ur同相或反相时，输出信号是正或负的脉动直流电压； 当Us和Ur是正交时即θ＝±90°时，输出信号Uo为零。 类似的开关电路可用场效应管或集成开关电路实现。
பைடு நூலகம்
设输入信号为：
x(t)Vcos(0t)
根据傅立叶变换，参考信号r(t)可用三角函数的形式表示。
r(t)4n 1(2 n1)n 11cos[(2n1)0t]
x ( t ) r(t)与
相乘的结果为：
up(t)x(t)r(t)
Vcos( 0t)4n 1(2 n 1 ) n 1 1cos[(2n1 ) 0t]
锁相放大器的工作原理
对微弱信号检测的要求:
(1) 良好的光电信号检测系统： (2) 适宜的光学系统 (3) 波长匹配、性能优良的探测器 (4) 合理的光电系统检测方式（直接检测或外差检测） (5) 最佳的信号后置处理器
微弱光信号检测系统
在光度量的测量中，常常遇到待测信号被噪声淹没的情况。 例如，对于空间物体的检测，常常伴随着强烈的背景辐射； 在光谱测量中，特别是吸收光谱的弱谱线更是容易被环境辐射或检测器件的内部噪声所淹没； 即使是对较强的光信号，为提高信号的抗干扰能力，实现精确的检测，也都需要有从噪声中提取、恢复和增 强被测信号的技术措施。 因此无论是从工程应用方面还是从信号变换技巧方面，微弱光信号的检测都是很重要的。
常用的弱光信号检测技术:
(1) 锁相放大器 (2) 取样积分器 (3) 光子计数器
(1) 锁相放大器在弱光检测中的应用
通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的，分布在很宽的频谱范围内。它们大部分和有用信号频谱不重 叠，也没有同步关系。 因此降低噪声、改善信噪比的方法之一是压缩检测通道的带宽，使之仅能覆盖住信号的频谱，此时噪声的输出 将会明显降低。 但这并不表明简单地用窄带滤波的方法就能够消除噪声。 实际上由于带通滤波器的频率稳定性的限制，单纯用压缩带宽来抑制噪声是有限度的。 因此，对微弱信号的接收常采用具有窄带滤波能力的锁相放大器。
2 V n 1 ( 2 n 1 ) n 1 1 c o s [ ( 2 n 2 )0 t ] 2 V n 1 ( 2 n 1 ) n 1 1 c o s [ 2 n 0 t ]
式右边的第一项为差频项，第二项为和频项。经过低通滤波器（LPF），所有的和频项与的差频 项都被虑除，最后滤波器的输出为：
其它的噪声和干扰信号或者由于频率不同，造成Δω≠0的交流分量，被后接的低通滤波器滤除；或者由于 相位不同而被相敏检波截止。
当然，那些与参考信号同频同相的噪声分量也能够得到部分输出并与被测信号相叠加，但这些终归只占白 噪声的极小部分。因此锁相放大能以极高的信噪比由噪声中提取出有用信号来。
相敏检波器有模拟乘法器式和电子开关式，其中电子开关式相敏检波器由于受到参考信号幅度波动的影响 较小，所以得到更广泛的应用。
设乘法器的输入信号Us和参考信号Ur分别为: Us＝Usmcos[(ω0+Δω)t+ θ] Ur＝Urmcosω0t 则输出信号Uo＝UsUr＝(UsmUrm/2){cos(Δωt+ θ)+cos[(2ω0+Δω)t+ θ]} 其中Δω是Us和Ur的频率差， θ为相位差。 由上式可见，通过输入信号和参考信号的相乘运算后输出信号的频谱由ω0变换到差频Δω与和频2ω0的频段上。利用 低通滤波器滤除和频信号后得到窄带的差频信号。 这时输出信号Uo′＝(UsmUrm/2)cos(Δωt+ θ)
它由混频乘法器和低通滤波器组成。 它的工作原理:输入信号在相敏检波器中与参考信号混频，经低通滤波器后得到与输入信号幅值成比例 的直流输出分量。
输入信号AC
信号通道
前放
选频
参考信号AC
锁相环
移相器
相敏检波
混低 频通 乘滤 法波 器器
参考通道 锁相放大器的组成方框图
输出信号 DC
锁相放大器的工作原理:
uo(t)
2V
cos()
说明被测信号通过相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)后，输出正比于被测信号的幅度、同时正比于参考 信号与被测信号的相位差的余弦函数，同相位时，输出最大，从而实现鉴幅和鉴相。
用一已知F0频率的信号与被检信号相乘, 低通滤波后得ACOSQ; 用已知F0频率相位差90度的信号与被检信号相乘,低通滤波后得ASINQ; 平方和再开平方,得A. 如已知F0频率的信号幅值为B,则得被测信号幅值C=A/B.