最新专科模板-简易锁相放大器设计-终稿
【精品】锁相放大器
【关键字】精品————————————————————————摘要锁定缩小器（LIA）是一种检测微弱信号的专用电路。
它能在较强干扰背景条件下，对特定频率信号进行有效测量。
系统是以平衡调制器AD630构成的相敏检波电路为核心，由纯电阻分压模块、被测微弱信号与背景噪声叠加的加法器及交流缩小器模块、参考信号整形移相模块、具有锁相功能的微弱信号检测模块、单片机有效值检测显示模块等组成。
被测微小信号与背景噪声叠加后，进行交流缩小和带通滤波器与具有参考信号在相敏检波器中叠加，相敏检波器可以在背景噪声中获取与参考信号同频率的有用信号并整流输出，然后对该输出信号进行低通滤波和直流缩小后，由单片机AD检测并在液晶上显示出来。
整形移相模块可以用来调整参考信号与被测信号的相位，使之同相。
该系统具有灵敏度高、测量较准确等优点。
关键字：锁相缩小器，相敏检波器，移相，有效值检测目录一、系统方案选择与论证 (1)1.2设计思路与框图 (2)二、系统分析与计算 (3)2.1 纯电阻分压电路 (3)2.2 加法器 (3)2.3 交流缩小器 (4)2.4 带通滤波器 (5)2.5 相敏检波器 (6)2.6 低通滤波器 (6)2.7 参考通道 (7)2.8 输出显示 (8)2.8.2 程序流程图 (8)三、测试方案与测试结果 (8)3.1检测方法与结果 (8)3.2测试结果分析 (9)四、实物演示 (9)六、参考文献 (9)锁相缩小器的设计（C题）锁相缩小器是一种在较强干扰背景条件下，检测微弱信号电气参数的专用电路。
一、系统方案选择与论证锁相缩小器的核心在于检测微弱信号的相敏检波器设计。
相敏检波器是一种根据信号的相位来提取有用信号的处理电路，在外部同频控制信号作用下，用控制信号来截取输入信号，相敏检波器输出的直流分量为反映输入信号与控制信号相位差的直流电压，经低通滤波器LPF滤除高频分量后得到直流输出信号（如图1）。
图1 相敏检波器相敏检波器有多种实现方案：方案一：运算缩小器法图2 运算缩小器实现的相敏检波器该方案（如图2）主要由运算缩小器和电子开关组成。
基于DSP的多通道锁相放大器设计与实现
基于DSP的多通道锁相放大器设计与实现摘要：锁相放大器是一种用于测量微弱信号的高精度仪器。
本文基于数字信号处理（DSP）技术，设计并实现了一种多通道锁相放大器。
通过使用DSP芯片进行信号的采集、处理和控制，实现了对多通道信号的同时测量和分析。
实验结果表明，该锁相放大器具有较高的精度和稳定性，适用于多种实际应用场景。
1. 引言锁相放大器是一种广泛应用于科学研究和工程实践中的测量仪器。
其基本原理是通过将待测信号与参考信号进行相位比较，并进行放大和滤波，从而提取出微小的信号成份。
然而，传统的锁相放大器在多通道测量中存在一些局限性，如仅能同时处理有限数量的通道信号，处理速度较慢等。
为了解决这些问题，本文提出了一种基于DSP的多通道锁相放大器设计方案。
2. 设计与实现本文所设计的多通道锁相放大器主要由DSP芯片、模数转换器、放大器和滤波器等组成。
首先，通过模数转换器将待测信号和参考信号转换为数字信号。
然后，使用DSP芯片进行信号的采集、处理和控制。
在DSP芯片中，采用了高效的算法和优化技术，以提高信号处理的速度和精度。
最后，通过放大器和滤波器对信号进行放大和滤波，得到所需的测量结果。
3. 实验结果与分析本文所设计的多通道锁相放大器在实际实验中取得了较好的效果。
通过对多个通道的信号进行同时测量和分析，可以快速获取各通道的相位差和幅度差等信息。
实验结果表明，该锁相放大器具有较高的精度和稳定性，能够满足多种实际应用场景的需求。
4. 结论本文基于DSP技术设计并实现了一种多通道锁相放大器。
通过使用DSP芯片进行信号的采集、处理和控制，实现了对多通道信号的同时测量和分析。
实验结果表明，该锁相放大器具有较高的精度和稳定性，适用于多种实际应用场景。
本文的设计方案为锁相放大器的进一步研发和应用提供了有益的参考。
关键词：锁相放大器；DSP技术；多通道测量；信号处理；精度与稳定性。
锁相放大器
锁相放大器实验锁相放大器实验（Lock-in amplifier）,简称LIA。
它是一个以相关器为核心的检测微弱信号仪器，它能在强噪声情况下检测微弱正弦的幅度和相位。
学习本实验的目的是使同学了解锁相放大器的基本组成,掌握锁相放大器的正确使用方法。
一、锁相放大器的基本组成结构框图如图1所示。
它有四个主要部分组成:信号通道、参考通道、相关器（即相关检测器）和直流放大器。
图1 锁相放大器的基本结构框架1.信号通道信号通道包括:低噪音前置放大器、带通滤波器及可变增益交流放大器。
前置放大器用于对微弱信号的放大，主要指标是低噪音及一定的增益（100～1000倍）。
可变增益放大器是信号放大的主要部件，它必须有很宽的增益调节范围，以适应不同的信号的需要。
例如，当输入信号幅度为10nV，而输出电表的满刻度为10V时，则仪器总增益为10V/10nV =109若直流放大器增益为10倍，前置放增益为103，则交流放大器的增益达105。
带通滤波器是任何一个锁相放大器中必须设置的部件，它的作用是对混在信号中的噪音进行滤波，尽量排除带外噪音。
这样不仅可以避免PSD（相敏检波器）过载，而且可以进一步增加PSD输出信噪比，以确保微弱信号的精确测量。
常用的带通滤波器有下列几种：（1） 高低通滤波器图2为一个高通滤波器和一个低通波滤波器组成的带通滤波器，其滤波器的中心频率f 0及带宽B 由高低滤波器的截止频率f c1决定和f c2决定。
锁相放大器中一般设置几种截止频率，从而根据被测信号的频率来选择合适的频率f 0及带宽B 。
但是带宽滤波器带宽不能过窄，否则，由于温度、电源电压波动使信号频谱离开带通滤波器的通频带，使输出下降。
为了消除电源50Hz 的干扰，在信号通道中常插入组带滤波器。
（2）同步外差技术上述高低通滤波器的主要缺点是随着被测信号频率的改变，高低通滤波器的参数也要改变，高低通滤波器的参数也要改变，应用很不方便。
为此，要采用类似于收音机的同步外差技术，原理框图如图3所示。
LY_DLIA_0424数字锁相放大器
主动数字扫描式锁相放大器LY_DLIA_0424使用与二次开发手册实事求是精益求精天津瀚阑电子工作室天津市南开区南丰里12-2-503联系人刘先生159****8084目录第一章锁相放大概述 (1)1锁相放大 (1)2LY_DLIA_0424LY_DLIA_0424..........................................................................................................................................................................................................................................................................33锁相放大重要参数说明.. (4)4第二章LY_LY_DLIA_0424DLIA_0424原理概述..................................................................................................................................................................661参数说明.. (6)2原理与器件选型说明..............................................................................................................................73锁相放大功能与性能直观验证过程.. (9)9第三章LY_LY_DLIA_0424DLIA_0424使用与二次开发详细说明 (12)121硬件接口介绍 (12)2软件操作介绍 (14)2.1波形编辑软件 (14)2.2LIA 控制台介绍 (21)PS 解调信号频率设计： (22)223keil4下的固件二次开发简要介绍.....................................................................................................24附件1：性能测试实验.. (30)附件2：应用本锁相放大器搭建TDLAS 系统应用示例与测量结果示意 (36)36第一章锁相放大概述1锁相放大锁相放大，是微弱信号检测的重要手段；从频域上来说，锁相放大，实际为，取一段长度为时间参数的样本，做傅里叶变换，并取出与参考频率同步的信号的有效值；与傅里叶变换相比，锁相放大，只计算某一特定频率的信号，不用计算与该频率无关的信号，与傅里叶变换所作出的计算该信号的所有频率成分与大小相比，在电路简易，计算方便快捷，数据精确度都有很大优势；从时域来说，锁相放大，最直观的展现就是，两路频率纯正的信号相乘，如果两路信号同频与相位差稳定，会得出一个直流分量与高频分量（三角函数的积化和差）()cos cos ()()()r s t tt t e e s r t ωωωννντ+∆+Φ⎡⎤⎣⎦=−=()(){}1cos cos 22r s e t t e ωωω∆+Φ++∆+Φ⎡⎤⎣⎦=如果两路信号频率相等，相位差稳定，结果变化为1/2(e r e s cos(Φ)+cos(2ωt +Φ)),即包含一直流成分与高频成分；锁相放大在时域上采用互相干原理，详细讨论如下：锁相放大器，其实是常用相关检测原理，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。
锁相放大器设计
C题：锁定放大器的设计摘要：本设计对于检测微弱信号的锁存放大器进行论述，锁定放大器主要包括交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器及液晶显示等几个部分。
其中，交流放大器以INA128为主要构成部件，实现交流信号的放大从而作为带通滤波器的输入；带通滤波器用UAF42构成，实现对900Hz到1100Hz频带范围的滤波过程，其误差小于20%；相敏检波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信号在输入低通滤波器经直流放大器放大后输入显示电路，显示出被测信号的幅度及有效值。
另外，在相敏检波器部分的方波驱动信号由参考信道的参考信号经触发整形、移相、比较而来。
同时，为了更好的检测出锁定放大器的性能，在信号的输入端增加加法器电路，实现被测信号与干扰信号的1:1叠加，当干扰信号的频率为1050Hz—2100Hz时，输出端的测量误差小于10%。
锁定放大器在实际应用中用途广泛，尤其对于微弱信号检测方向站着主导地位，随着科技的发展已渐渐的融入人类的生活之中，拥有很好的发展前景。
关键词：带通滤波器；相敏检波器；显示；方波驱动1 总体方案设计1.1方案比较与选择1.1.1微弱信号检测模块方案比较方案一：采用滤波电路检测微弱信号，通过滤波电路将微弱信号从强噪声中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，由此可见该方案不满足要求。
方案二：采用取样积分电路检测小信号，采用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善√N倍，但这种方法取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。
方案三：采用锁相放大器检测小信号，锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器等组成，其中相敏检波器(PSD)是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有良好的检波特性。
由于该被测信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适用于锁相放大器的工作情况，故选择方案三。
锁相放大器的设计
锁相放大器是检测 淹没在 噪声 中的微弱信 号的仪 器。它 作为一种信号恢复仪器 ， 在弱信 号 测量中 的重 要作用 ， 已经 引
起人们越 来越广泛的重视 。
１ 相 放 大 器 的 研 究 背 景 ．锁
由于在被测量 的信号里所包含的各种信号分量中 ， 参考信
ｌ ｅ ｗｉ ｈ ｃ ｕ ａｅ，ｐ ａ ｔ ａ ｒ ｃ ｐ ｅ ｏ ｔｂ ｌ ｉ ｇ ａ ｄ ｅ ｏ ｏ ｚｎ ｘ ｅ ｓ ｕ ｒ ｒ ｏ ｋ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ａ ｎ ｏ ｏ ｇ ｔｏ ａ ｈ ａ ｐ ａ ａ ｃ ｍ— ｉ ｔ ｔｅａ ｃ ｒｔ ｎ ｈ ｒ ｃｉ ｌ ｐ ｉ ｉ ｌ ｆｓ ｉ ｚｎ ｃ ｎ ｍｉ ｇｅ ｐ ｎ ｅ ｐ ｔ ｗａ ｄ ｌ ｈ ｅ ｉ ｔ ｉ ｆｔ ｕ ｈ ｆｅ ｃ ｐ ｅ ｒ ｎ ｅ ａ ｃ ｎ ａ ｉ ｎ ｉ ｏ ｆ ｃ ｎ ｒ ｈ ｐ ｉ ｅ ａ ｔ ｎ ｄ ｆｏ ｔ ｉ ａ ｅ ｄ ｖ ｌ ｐ ｄ ｔ ｅ ｌ ｋ ｏ ｅｆ—ｃ ｎｒ ｌ ｐ ａ ａ ｃ ｍｐ ｉ ｅ ． ｌ ｉ ｒｐ ｒ ，ａ ｒ ｍ ｈ ｓｈ ｖ ｅ ｅｏ ｅ ｈ ｏ ｆａ ｓ ｌ ｆ ｃ ｏ ｔ ｐ ｒｎ ｅ ａ ｌ ｒ ｏａｅ ｉ ｆ
Ｓｐ２ ０ ｅ． ０７
锁 相 放 大 器 的 设 计
施 风 荣
（ 湄州湾职业技术学院 ，福建 莆田 ３ １５ ） ５ ２ ４
［ 摘 要 ］ 文章在分析锁相放大器的电路构成、工作原理和设计要求的基础上，本着精确、实用、稳定、节约开支的原则，提出
锁相放 大器各部分 的设计 思路 ，并由此研制 了一款便于 自制的锁相放 大器。
号 Ｙ ｔ 的频率 只与输 入 的有 用信号 频率相 关 ， （） 与随机 噪声 Ⅳ
锁相放大器设计解析
C题：锁定放大器的设计摘要：本设计对于检测微弱信号的锁存放大器进行论述，锁定放大器主要包括交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器及液晶显示等几个部分。
其中，交流放大器以INA128为主要构成部件，实现交流信号的放大从而作为带通滤波器的输入；带通滤波器用UAF42构成，实现对900Hz到1100Hz频带范围的滤波过程，其误差小于20%；相敏检波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信号在输入低通滤波器经直流放大器放大后输入显示电路，显示出被测信号的幅度及有效值。
另外，在相敏检波器部分的方波驱动信号由参考信道的参考信号经触发整形、移相、比较而来。
同时，为了更好的检测出锁定放大器的性能，在信号的输入端增加加法器电路，实现被测信号与干扰信号的1:1叠加，当干扰信号的频率为1050Hz—2100Hz时，输出端的测量误差小于10%。
锁定放大器在实际应用中用途广泛，尤其对于微弱信号检测方向站着主导地位，随着科技的发展已渐渐的融入人类的生活之中，拥有很好的发展前景。
关键词：带通滤波器；相敏检波器；显示；方波驱动1 总体方案设计1.1方案比较与选择1.1.1微弱信号检测模块方案比较方案一：采用滤波电路检测微弱信号，通过滤波电路将微弱信号从强噪声中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，由此可见该方案不满足要求。
方案二：采用取样积分电路检测小信号，采用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善√N倍，但这种方法取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。
方案三：采用锁相放大器检测小信号，锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器等组成，其中相敏检波器(PSD)是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有良好的检波特性。
由于该被测信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适用于锁相放大器的工作情况，故选择方案三。
锁相放大器
锁相放大器锁相放大器是一种高性能的通用测量仪器,它能精确地测量被掩埋在噪音中的微弱信号。
随着科学技术的飞速发展,在电子学、信息科学、光学、电磁学、低温物理等许多领域,越来越需要测量深埋在噪音中的微弱信号。
本文介绍了一种低成本,灵活性高的缩相器。
特别在系统检测精确、性能指标、稳定性与抗干扰方面,达到理想效果。
一、锁相放大器锁相放大器是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器。
它作为一种信号恢复仪器,在弱信号测量中的重要作用,已经引起人们越来越广泛的重视。
1·锁相放大器的研究背景锁相放大器(Lock- in Amplifier, LIA)不仅能像选频放大器那样利用信号的频率特性,还抓住了信号的相位特点,即“锁定”了被测信号的相位。
它的等效噪声带宽非常窄,一般可以做到1mHz,远比选频放大器的带宽窄。
因此,基于锁相放大器所具有的输出稳定性、强有力滤除噪声的能力以及能将深埋在噪声中的微弱信号提取出来并加以放大的优良特性,应当选用锁相放大器。
2·锁相放大器的理论分析与设计要求(1)锁相放大器的工作原理锁相放大器采用的是外差式振荡技术,它把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。
即利用锁相放大器中的信号相关原理,对两个混有噪声的周期信号进行相乘和积分处理后,将信号从噪声中检测出来,并达到通过互相关运算削弱噪声影响的目的。
设是伴有噪声的周期信号,即X(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωt+φ)+N(t)其中,N(t)为随机噪声,S(t)为有用信号,A为其幅值,角频率为ω,初相角为φ。
参考正弦信号为:Y(t)=Bsin(ωt+τ)+M(t)其中,B为其幅值,τ是时间位移,M(t)为随机噪声。
则两者的相关函数为:由于在被测量的信号里所包含的各种信号分量中,参考信号Y(t)的频率只与输入的有用信号频率相关,与随机噪声N(t)的频率不相关,且有用信号S(t)与随机噪声M (t)之间及噪声与噪声之间的频率也均相互独立,所以它们的相关函数为零,即Rny(τ)=0于是,就有从而,令锁相放大器实现了从噪声中提取有用信号的目的。
锁相放大器实验
2．原理
2.1理论
2.1.1相关接收
微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。相关是指两个函数间有一定的关系，相关按概念分为自相关和互相关。微弱信号检测中一般采用抗干扰能力强的互相关检测。相关函数是表征线性相关的度量。
3)相关器对不相关信号的抑制
连接实验线路，调节输入信号的信号源的频率为200HZ时，改变干扰信号的频率，观察相关器噪声电压输出，分析相关器对不相关信号的抑制能力。
4)相关器对噪声的抑制及信噪比改善
连接实验线路，先不加干扰信号，在输入信号与输出信号同相的情况下观察相干器“加法器输出”与“PSD输出”的波形，测量直流输出电压；加入白噪声信号后，再用“加法器输出”与“PSD输出”的波形观察信号与噪声相混的波形。测量信号源的输入信号的电压、白噪声输入电压，再测量出相关器输出的信号电压与噪声电压，计算输出信号的信噪比。
3.2相敏检波器的特性研究及信噪比改善测量
1)相敏检波器PSD输出波形和电压测量
连接实验线路，在输入信号与参考信号不同相位下，观察由PSD输出的波形；测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间的幅值及相位差 的关系，
2)相关器的谐波响应的测量与观察
连接实验线路，宽带移相器的输入信号接至信号源的“倍频 分频输出”，使得参考信号的频率为信号频率的1/n.在n分别为1,2,3,4,5,6,7的情况下，调节相移，记录直流电压输出最大值。
3)相关器对不相关信号的抑制
相位差为0°时，加法器输出峰峰值为0.32V，PSD输出峰值为0.16V，加法器输出波形和PSD输出波形如图8所示，
图8加法器输出波形和PSD输出波形
锁相放大器的设计
锁相放大器的设计【摘要】本系统以超低功耗MSP430G2553作为处理核心，用OPA244、OPA2237、LM324N、LM3119等实现对微弱信号的检测。
该电路由信号调理模块、移相器模块、相敏检波器和数码管四个模块组成。
信号调理模块包括加法器，交流放大器，四阶带通滤波器，信号调理电路子模块，其具有微弱信号放大和调理、抑制干扰和噪声的作用。
移相器模块由多个比较器，积分器组成，实现与被测信号的同步，产生可180°移相的方波传输给MCU，由数码管显示被测信号的幅度。
【关键词】微弱信号;移相器;msp430;相敏检波器1.锁相放大器设计原理根据相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数f1（t）和f2（t）的相关函数定义为：它是度量一个随机过程在时间t和两时刻线性相关的统计参数，如果f1（t）和f2（t）完全没有关系，则相关函数将是一个常数。
下面我们设有两个信号x（t）、y（t）为：其中n1（t）、n2（t）为噪声，Vs（t）为待测信号，Vr（t）为参考信号。
则相关函数为：展开得：因为信号和噪声不相关，且噪声的平均值为零，所以都为零。
故：这样我们可以看到，两个信号经过相乘和积分处理后就可以把噪声抑制，锁相放大器的核心就是根据这个原理设计的。
2.设计方案的论证如图1所示，该方案将数字脉冲电位器用模拟移相器取代，其中移相器是由多个小模块依次作为输入产生不同的波形，最终实现将正弦信号调整为相位不同的方波信号。
且该处采用模拟器件容易实现，便于分级检测输出的波形，及时对硬件电路进行修正和改进。
图13.硬软件设计3.1 硬件的总体设计通过理论分析，该系统主要由由三部分组成，即：信号通道，参考通道和其他相关器。
加法器将被测信号S（t）和噪声信号n（t）以1：1叠加后通过电阻分压网络将叠加后的信号进行衰减。
信号通道由放大器和带通滤波器组成，其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器的工作电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器动态范围的性能;参考通道由触发整形和移相器组成，其作用是产生与被测信号同步的对称方波，再由方波驱动给相关器;相关器由数字相敏检波器组成，是锁定放大的核心部件，具有动态范围大、漂移小、时间常数可调等性能。
锁相放大器原理实验报告
锁相放大器原理实验报告.docx艾孜买提江111XXXX0226物理112班一、实验目的l、了解相关器的原理，测量相关器的输出特性；2、了解锁定放大器的原理及典型框图；3、根据典型框图，组装锁定放大器；熟悉锁定放大器的使用方法二、实验原理实际测量一个被测量时，无用的噪声和干扰总是伴随着出现，影响了测量的精确性和灵敏度。
特别当噪声功率超过待测信号功率时，就需要用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原始信号。
这些检测仪器是根据改进信噪比的原则设计和制作的。
可以证明，当信号的频率和相位己知时。
采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大，微弱信号检测的著名仪器锁定放大器，就是采用这一技术设计与制造的。
锁定放大器是以相干检测技术为基础，其核心部分是相关器，基本原理框图如图1所示。
而锁定放大器的主要由三部分组成，即：信号通道(相关器前那一部分)、参考通道和相关器(包括直流放大器)。
图1.锁定放大器的基本原理图首先介绍相关器：它是锁定放大器的核心部分，其基本原理如下：1、相关接收原理互相关接收对于已知为周期性的信号的检测十分有用。
图所示，输入乘法器的两路信号中，e1(t)为被检测信号，是VA(t)与背景信号Vn(t)的叠加，e2(t)为在接收设备中设法产生的与被检测信号VA(t)同步的参考信号VB(t)。
将参考信号与杂有噪声的输入信号进行相关，得到被测信号的相关函数，就代表了被测信号。
其相关函数为：由于噪声Vn(t)与参考信号VB(t)的相关性，RNB=0，因此有2、相关器相关器由相敏检波器(PSD)与低通滤波器组成，是锁定放大器的核心部件。
锁定放图3锁定放大器中通常采用的相关器大器中的相关器，通常采用图3所示的形式，由一个开关式乘法器(_)与低通滤波器(LPF)组成。
(1)同步检测器令图3中输入开关乘法器的被测信号VA(t)和参考信号VB(t)分别为则开关乘法器的输出信号为可见开关乘法器的输出由和频(wA+wB)和差频(wA-wB)两部分组成。
锁相放大实验报告范文-图文
锁相放大实验报告范文-图文（实验报告）锁相放大【摘要】随着科学技术的发展，需要测量许多物理量的微小变化。
其中锁相放大器是目前最常见的仪器，适用于对淹没在噪声背景中的正弦波或方波信号的检测。
通过对本实验的演练以及相关知识的了解，了解相关检测原理、锁相放大器(LOOK-IN)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。
【关键词】弱信号检测、相关器、锁相放大、互相关函数、抗干扰【引言】随着科学技术和生产的发展，在很多时候我们需要测量许多物理量的微小变化。
特别是极端条件下的微弱信号的测量，是深化认识自然、开拓新材料、创造新器件的基础。
对上述微小变化的测量，通常我们可以用传感器将其转化为相应的电信号，然后对这些电信号进行发达，然后进行检测。
但是这些微小的变化通过传感器转换成的电信号十分微弱，而且各种条件下的噪声和干扰很可能将这些微弱信号淹没，因此单纯的使用放大器将其放大，并不能将这些信号正确地检测出来，因为一般放大器会将信号与噪声一起放大，被测信号因被噪声覆盖而使放大失去了意义。
因此去掉上述信号中的噪声与干扰成为了解决弱信号测量问题的关键。
一般，去除噪声和干扰有同步积累、相关接受等方法。
【正文】锁相放大器的基本原理是相关接收原理，由互相关函数R某y()lim12TTTT某(t)y(t)dt知道，若某(t)，y(t)互相没有关系，互相关函数将是一个常数，等于两个随机函数的平均值的积，由于电噪声函数一般符合高斯正态分布，其平均值为零，因此我们认为信号和噪声的互相关函数为零。
令某(t)V(t)n1(t)y(t)Vr(t)n2(t)Vr(t)其中n1(t)和n2(t)分别代表了待测信号V(t)及参考信号混在一起的噪声，则R某y()lim12TTTTV(t)Vr(t)V(t)n2(t)Vr(t)n1(t)n1(t)n2(t)dtRr()R2()Rr1()R12()其中，Rr()，R2()，Rr1()，R12()分别是两信号之间，信号与噪声，噪声与噪声之间的相关函数，由于信号与噪声不相关，所以R2()，Rr1()，R12()为零。
锁相放大器
1.1 比较与选择 （1）白噪声发生器方案论证 方案一：采用FPGA产生数字随机序列作为白噪声源；LFSR和CASR组合可 以产生均匀分布的随机数，其具有周期长、相关性低和分布均匀等特点，在很宽 频带内为白噪声。使用一阶RC低通滤波电路，将噪声等效带宽设为10MHZ，用 运放将白噪声放大，调节电位器以调节放大倍数，从而实现噪声有效值在0.2V— 2V内连续可调。 方案二：采用二极管反向击穿时载流子随机地通过势垒引起的散粒噪声作为 噪声源，散粒噪声功率谱密度与频率无关，属于白噪声，利用三极管将噪声放大。 方案选择：方案一产生的噪声为宽带白噪声，实现方便、可靠；而方案二实 现复杂，不确定因素大，故选择方案一。 （2）混频器方案论证 方案一：使用DAC做混频器；将加噪信号接在DAC7811的电压参考端，利 用FPGA产生与信号频率相近的数字正弦信号，驱动DAC7811的控制字，从而实 现混频。 方案二：使用有使能端的运放做混频器；将加噪信号接在运放的输入端，运 用FPGA产生与信号频率相近的方波信号去驱动运放的使能端。根据傅里叶分解， 方波信号的基频为与信号频率相近的正弦波，从而实现混频。 方案选择：方案二中方波信号含有基频及各级谐频，混频后信号频率多且杂， 低通滤波效果不良好。方案一中混频器的输入信号只有一个频率，故混频后信号 频率成分少，易于区分，低通滤波效果良好。故选择方案一。 1.2 系统方案描述 锁相放大器整体方案如图1所示，FPGA产生的随机序列经过隔直、放大后得 到宽带白噪声V1，与信号Vref通过信号混合网络电路后产生加噪信号V2。使用 OPA132做跟随并将加噪信号同相放大5倍，再通过20kHz低通滤波器，然后送到 DAC7811的参考电压端；将信号通过LM311整形成方波后送入FPGA，计算其频 率，并通过DDS模块输出一个与其频率相近的数字正弦信号，通过SPI总线驱动
锁相放大电路的设计
电信学院毕业设计任务书题目锁相放大电路的设计学生姓名班级学号题目类型工程设计，自拟指导教师系主任一、毕业设计的技术背景和设计依据：本设计是作为电子信息科学与技术专业本科学生毕业设计题目。
近几十年来，在研究宏观和微观世界的过程中，科学家们不断开发能把淹没在噪声中的大量有用信息检测出来的理论和方法，通过不断的系统化，完整化，从而形成了一门新的微弱信号检测的学科分支。
锁相放大器的出现使得微弱信号检测步入了一个新的台阶。
锁相放大技术在物理、化学、激光、电子、生物医学等方面有着极为广泛的应用。
它主要是利用噪声、信号的时间特性不同,设法得到抑制噪声和干扰发现微弱信号的检测方法。
锁相放大电路可以使仪器抑制噪声的性能提高好几个数量级，具有极强的抗噪声性能。
它是把待检测的信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。
鉴于现在的锁相放大器体积过大，成本高等因素，可以设计一个基于AD630芯片的锁相放大电路，用来实现一些微弱信号检测，并且可以应用到某些系统当中。
二、毕业设计的任务1、熟悉题目要求，查阅相关科技文献2、方案设计（包括方案论证与确定、技术经济分析等内容）3、硬件和软件设计（其中还包括理论分析、设计计算、实验及数据处理、设备及元器件选择等）4、撰写设计说明书，绘制图纸5、指定内容的外文资料翻译6、其它三、毕业设计的主要内容、功能及技术指标1、毕业设计的主要内容锁相放大器电路的组成一般分为四部分：信号通道，参考通道，同步积分器和相关器。
(1) 相关器是一种完成被测信号与参考信号互相关函数运算的电子线路。
他必须具有动态范围大，漂移小，时间常数可调，线性好，增益稳定和频率范围宽等性能。
它包括乘法器和积分器两部分。
该部分使用平衡调制解调芯片AD630，可以有效地抑制了噪声和干扰(2) 信号通道主要由输入变压器，低噪声前置放大器，各种功能的有源滤波器和主放大器组成。
其作用是将弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤除部分干扰及噪声的功能从而扩大仪器的动态范围。
锁相放大器原理
锁相放大器原理锁相放大器是一种用于检测和放大微弱信号的电子设备，利用频率相位差锁定的原理进行信号处理和增强。
本文将介绍锁相放大器的原理和工作方式，以及其在科学研究和工程应用中的重要性。
一、锁相放大器概述锁相放大器是一种特殊的放大器，其主要功能是将微弱信号转化为可观测的输出信号，并降低噪声和干扰的影响。
锁相放大器通常由参考信号发生器、输入信号放大器、相敏检测器和低通滤波器等组成。
二、锁相放大器原理锁相放大器的工作原理基于频率相位差锁定。
首先，参考信号发生器产生一个稳定的高精度时钟信号，并将其作为参考信号。
然后，输入信号经过放大器放大后，与参考信号进行相位比较。
相敏检测器会检测输入信号和参考信号之间的相位差，并产生一个电压信号。
最后，通过低通滤波器将输出信号滤波，得到最终的输出结果。
三、锁相放大器应用锁相放大器在各个领域都有广泛的应用，特别是在实验物理学、光学和电子工程等领域。
以下是锁相放大器的一些应用示例：1. 光学干涉测量：锁相放大器可以用于测量光学干涉信号中的微弱位移或形变，从而实现高精度的测量和检测。
2. 生物医学研究：锁相放大器在生物医学研究中的应用十分重要，可以用于检测生物体内微弱的电生理信号，如脑电图和心电图等。
3. 光谱分析：锁相放大器可以用于光学光谱分析，通过检测和放大光谱信号，提高信号的检测灵敏度和分辨率。
4. 信号恢复：锁相放大器可以提取被噪声和干扰掩盖的信号，对于解析控制系统中的微弱信号具有重要意义。
5. 工业检测：锁相放大器可以应用于工业测试和检测领域，对于检测和分析微弱信号，提高系统的信噪比和性能具有重要意义。
四、锁相放大器的优势与局限锁相放大器作为一种高精度的信号处理设备，具有以下优势：- 高增益：锁相放大器可以将微弱信号放大到可以观测和测量的范围，提高信号的检测灵敏度。
- 低噪声：锁相放大器能够有效降低噪声和干扰的影响，从而提高信号的质量和准确性。
然而，锁相放大器也有一些局限性：- 系统复杂性：锁相放大器的设计和调试过程相对复杂，需要专业的知识和经验。
锁相放大器实验报告
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ次实验的收获与体会
掌握了锁相放大器的基本原理和操作方法 学会了如何调整锁相放大器的参数以获得最佳性能 提高了实验动手能力和解决问题的能力 认识到团队合作在实验中的重要性，学会了如何与团队成员沟通和协作
对实验中遇到的问题和解决方案的反思与总结
遇到的问题：信号干扰、设备故障、操作失误等 解决方案：调整信号源、更换设备、规范操作等 反思：实验过程中需要注意的细节和可能出现的问题 总结：通过实验，提高了解决问题的能力和团队合作精神
调整锁相放大器参数，进行信号放大处理
调整锁相放大器参 数：设置合适的放 大倍数、相位差和 带宽
输入信号：选择合 适的信号源，如正 弦波、方波等
信号放大处理：将 输入信号通过锁相 放大器进行放大处 理
观察输出信号：使 用示波器等设备观 察输出信号的波形 和幅度，确保满足 实验要求
使用示波器和电脑采集和处理实验数据
Part Two
实验设备
锁相放大器
锁相放大器是一种用于测量微弱信号的电子设备。 锁相放大器的主要功能是提取信号中的频率和相位信息。 锁相放大器通常由一个参考信号和一个输入信号组成。 锁相放大器的性能指标包括灵敏度、动态范围、相位噪声等。
信号发生器
型号：Agilent 33220A 功能：产生正弦波、方波、三角波等信号 频率范围：1Hz-10MHz 精度：±0.01%
对实验教学的建议和改进意见
增加实验操作演示，帮助学生更好地理解和掌握实验步骤。 提供更多的实验案例，让学生通过实践锻炼解决问题的能力。 加强实验过程中的指导，及时发现并纠正学生的错误操作。 鼓励学生进行创新实验，培养学生的创新意识和实践能力。
对后续学习和实践的展望与计划
深入学习锁相放 大器的原理和应 用
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专科模板-简易锁相放大器设计-终稿电子科技大学毕业论文简易锁相放大器设计指导教师：张萍职称：讲师学生姓名：文国江专业: 电子信息工程班级：英特尔班学号：V080248431522010年 06 月 01 日电子科技大学成教院制目录第一章选题背景1.1 背景说明 (3)1.2 选题依据 (3)1.3 本文工作 (4)第二章锁相放大器的原理 (5)第三章研究与分析 (8)3.1 参考信号产生的方法比较与选择 (8)3.2 前端放大器的设计 (8)3.3 移相方法比较与选择 (8)3.4 相敏检波器的方法比较与选择 (8)第四章系统设计 (10)4.1 总体设计 (10)4.2 硬件设计 (11)4.2.1 前置放大器的设计 (11)4.2.2 移相电路的设计 (12)4.2.3 相敏检波的设计 (13)4.2.4 低通滤波器的设计 (14)4.3 软件设计 (15)第五章系统测试 (16)第六章附录 (18)总结 (26)致谢 (27)参考文献 (28)第一章选题背景1.1背景说明1962年美国 EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身 )的第一台锁相放大器 (Lock-in Amplifier，简称 LIA)的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，极大地推动了基础科学和工程技术的发展。
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，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。
早期的 LIA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 LIA，这种LIA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 ALIA）的基础上多了一些模数转换（ ADC）、数模转换（ DAC）和各种通用数字接口功能，可以实现由计算机控制、监视和显示等辅助功能，但其核心相敏检波器 (PSD)或解调器仍是采用模拟电子技术实现的，本质上也是 ALIA。
直到相敏检波器或解调器用数字信号处理的方式实现后，就出现了数字锁相放大器（简称 DLIA），DLIA 比 ALIA有许多突出的优点而倍受青睐，成为现在微弱信号检测研究的热点，但是在一些特殊的场合中， ALIA仍然发挥着 DLIA不可替代的作用。
1.2选题依据微弱信号检测技术是一门新兴的技术科学，它运用近年来迅速发展起来的电子学、信息论和物理学方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，采用一系列的信号处理方法，达到检测被背景噪声覆盖的微弱信号。
运用微弱信号检测技术可以测量到传统观念认为不能测量的微弱信号，如弱光、小位移、微震动、微温差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流等，使微弱信号测量精度得到很大的提高。
“微弱信号"不仅意味着信号的幅度小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。
为了检测被噪声覆盖的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因与规律，研究被测信号的特点、相关性及噪声的统计特性，以寻造出从背景噪声中检测出有用信号的方法。
微弱信号检测技术大量应用在光谱学、物理、化学、天文、光通讯、雷达、声纳、以及生物医学工程领域。
目前的微弱信号检测的方法有窄带滤波、取样积分、相关检测、三重相关匹配、随机共振、混沌振子、小波变换等方法。
能在背景噪声中检测有用信号的微弱信号检测仪器，为现代科学技术和工农业生产提供了强有力的测试手段，应用范围遍及几乎所有的科学领域，已成为现代科技必备的常用仪器。
微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研究和技术发展的需要。
微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感原理、相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术.对于各种微弱的被测量，如弱光、小位移、微震动、微温差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅度达到预期被测量的大小。
但是，由于被测量的信号微弱，传感器、放大电路和测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅度大的多，放大被测信号的同时也放大了噪声，而且必然会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和各种外部干扰的影响，因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。
只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提取出有用的信号。
为了达到这样的目的，必须研究微弱信号检测理论、方法和设备。
微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。
对微弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一个热点。
检测微弱信号的核心问题是对噪声的处理，最简单、最常用的办法是采用选频放大技术，使放大器的中心频率 f 0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。
后来发展了锁相放大技术。
它利用等测信号和参与信号的相互关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。
目前，锁相放大技术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。
因此，培养学生掌握这种技术的原理和应用，具有重要的现实意义。
所以针对微小信号测量，我们很有必要针对锁相放大器进行研究和设计.1.3本文主要工作微弱信号检测是随着工程应用而不断发展的一门学科。
对于强噪声背景环境下微弱信号检测方法的研究是信号处理技术中的综合技术和尖端领域，随着社会及科技的发展，微弱信号检测己经在物理、化学、天文、生物、医学以及多种工程应用领域得到了相当广泛的应用，在国内外越来越得到重视。
本文首先对锁相放大器的背景、原理进行分析，再对各部件进行研究、设计，最后完成系统测试并得出结论。
简易锁相放大器的设计采用C51产生参考信号;由信号通道、相敏检波和低通滤波、参考信道三大主要模块组成;通过输入信号与同频参考信号的互相关计算，可以滤除绝大部分噪声，再经过低通滤波器输出直流信号，经AD采样后达到测量出小信号的目的。
在本设计中能够达到的指标有：测量电压范围1uV～100mV；360°范围显示被测信号与参考信号的相位差；参考方波信号工作频率范围：100HZ～10KHZ，步进1HZ；信号幅度：0.1VPP~5VPP，步进0.1V等功能。
第二章锁相放大器的原理锁相放大器L队(Lock．in Amplifier，简称L队)就是利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪。
它是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。
在测量中，噪声是一种不希望的扰乱信号，它是限制和影响测量仪器的灵敏度的白噪声和1／f噪声的低频噪声。
这些噪声是无法用屏蔽等措施消除的。
为了减少噪声对有用信号的影响，常用窄带滤波器滤除带外噪声，以提高信号的信噪比。
但是，由于一般滤波器的中心频率不稳，而且带宽和中心频率以及滤波器的Q值有关等原因，使它不满足更高的滤除噪声之要求。
根据相关原理，通过乘法器和积分器串联，进行相关运算，除去噪声干扰，实现相敏检波，锁相放大器采用互相关接受技术使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级。
另外，还可以用斩波技术，把低频以至直流信号变成高频交流信号后进行处理，从而避开了低频噪声的影响。
锁相放大器抑制噪声的性能如下：国内外生产的锁相放大器的等效噪声带宽厶在103Hz数量级，少数的可以达到4×104Hz，信号带宽2．55×106Hz，可见，仪器具有非常窄的信号和噪声带宽，通常带通滤波器由于Q值的定义，常规滤波器很难达到一些性能。
而锁相放大器被测信号和参考信号是同步的，它不存在频率稳定性问题，所以可以把它看成为一个“跟踪滤波器"。
它的等效Q值由低通滤波器的积分时间常数决定，所以对元件和环境的稳定性要求不高。
研究表明，锁相放大器使信噪比提高一万多倍即信噪比提高了80dB以上。
这足以表明，采用相关技术设计的锁相放大器具有很强的抑制噪声能力。
目前锁相放大器有如下特点：极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益可达101l(即220dB)，能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差，满刻度灵敏度达pV、nV甚至于pV量级。
由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声性能。
它和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。
因此，这实际上不符合常规放大器的功能。
在国外常把这类仪器称为锁相放大器。
可理解为把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。
因此，将锁相放大器称为“锁定检测仪"或“同步检测仪"或许更为确切。
但目前国内都称为“锁相放大器"或“锁定放大器"。
锁相放大器通常分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器，而两种类型的L队各有优缺点。
常用的模拟锁相放大器虽然速度快，但是参数稳定性和灵活性差，且在与微处理器通讯的时候需要转换电路；传统数字锁相放大器一般使用高速ADC对信号进行高速采样，然后使用比较复杂的算法进行锁相运算，这对微处理器的速度要求很高。
为了大幅度提高检测下限和测量灵敏度，不仅要减少测量系统的噪声，而且要能从噪声中提取信号，故采用的新思路，进行相干检测。
其基本思想是： 1)首先使测量系统的主要部分，避开噪声功率密度大的地方，从而使输入噪声较小。
已知在低频区，闪烁噪声可以比自噪声高出数倍、数十倍、甚至数百倍。
因此，要设法使信号不失真的从低频区移出(1／F角以外)。
2)对不同的频率信号，应该设法将其移频至固定中心频率，这样就可以使用固定中心频率，固定频带的BPF。
3)从信号与噪声的特征对比可以看出，信号与多数噪声有频率和相位两个方面的不同。
BPF只是利用频率特征的识别。
因此，如果再利用相位特征的识别，将可把同频率、不同相位的噪声大量排除。
在光学中，对频率和相位都进行区分的方法称为相干法，故这种检测方法叫相干检测，在电子学中，这种检测方法称为锁定相位。
把上述三种设想加以实施，而完成频域信号相干检测的系统，称为锁相放大器(Lock．illAmplifier，简写LIA)。
其框图见图2-1所示。
各部件的功能是：信号通道把输入信号选频放大(初步滤除噪声)后，输入给相关器：参考通道在触发信号的同步下，输出相位可调节的、与输入信号同频率的参考波形；相关器对两路信号进行运算，然后对结果处理并输出.图2-1 锁相放大器原理框图第三章研究与分析3.1 参考信号产生的方法比较与选择参考信号（Reference Signal,RS）,就是常说的“导频”信号，是由发射端提供给接收端用于信道估计或信道探测的一种已知信号。