基于相关检测的微弱信号放大电路设计

基于相关检测的锁定放大器的设计

颜涛（509100318）吴明赞

（南京理工大学江苏南京 210094）

摘要：相干检测技术是利用参考信号与有用信号具有相关性，而与噪声互不相关的性质，从而通过互相关系运算来削弱噪声，达到提高信噪比的1种微弱信息检测技术。相干检测技术是众多微弱信号检测技术中能够使信噪比改善最大，恢复信号原形的最佳技术。

关键词：微弱信号，相干检测，锁定放大

Correlation-based detection of the design of lock-in amplifier

Yan Tao Wu Mingzan

(School of Automation,NUST,Nanjing210094,China)

Abstract:The coherent detection technology is the use of the reference signal and the useful signal has correlation with the nature of the noise unrelated to the relationship among the operations to weaken through the noise, to improve the signal to noise ratio of 1 kinds of weak information detection technology. Coherent detection technology is the large number of weak signal detection technology that can make the greatest signal to noise ratio to improve and restore the signal prototype of the best technology.

Key words: weak signal, coherent detection, Lock-in Amplifier

1 引言

微弱信号是指深埋在背景噪声中的极其微弱的有用信号。随着科学技术的不断发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测(如、弱光、微温差、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视。而对于众多的微弱量一般都通过各种传感器、放大器作非电量转换的，使检测对象变换成可测的电量。但微弱检测本身的涨落，以及传感器的优劣与检测系统的噪声影响，从而影响总的检测效果。目前，相干检测技术是使信噪比改善最大，恢复信号原形最佳的技术，同时也是众多检测技术中最成熟的技术。

锁相放大器是在50年代发展起来的相

敏检波器的基础上发展起来的新型微弱光

电信号检测仪器，它用于测量深埋在噪声或直流漂移中极其微弱的光电信号，在科学研究和工业生产中得到越来越广泛的应用。本文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。

2 锁定放大原理

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)

=sin()()

A wt N t

+ϕ+

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) =

sin()()

B wt M t

+τ+

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：

01()lim

[sin()()][sin()()]T

T Rxy t B wt M t A wt N t dt T →∞=+τ++ϕ+⎰ cos()()2AB wt Rny t =+∅+ 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 t =0。

于是，就有

()Rny t cos()2

AB

wt =

+∅ 。从而,令锁相 放大器实现了从噪声中提取有用信号的目

的。理论上已证明，当信号的频率和相位已知，采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大。 3 锁相放大器结构分析

锁定放大器一种利用相关检测技术实现微弱信号检测的仪器，它能精确测量被掩埋在噪声中的微弱信号。锁相放大器的输入为正弦波或方波交流信号，其输出为正比于输入波形幅值的直流信号。锁定放大器的基本组成如图（1），包括信号通道、参考通道、相敏检测器（PSD ）和低通滤波器（LPF ）等。

（1）信号通道对输入信号进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。

（2）参考通道的功能是为相敏检测器提供与被测信号相干的控制信号，故参考输入必须是与被测信号相关的同频信号。参考通道的输出r(t)可以是正弦波，也可以是方波，但为了防止r(t)的幅度漂移影响锁定放大器的输出精度，r(t)最好采用采用占空比为50%的方波开关信号，用电子开关实现相敏检测。

（3）相敏检波器的输出通过低通滤波器压缩带宽，大量的宽带噪声被滤除，使锁相放大器具有很强的抑制噪声能力。锁相放大器的通带宽度取决于低通滤波器的时间常数，时间常数越长，带宽越窄，对信噪比的改善也就越高。信噪比的改善与时间常数的平方根成正比。为使LPF 的输出满足要求，常常使用直流放大器对其输出进行放大。

简言之锁相放大器就是将深埋在噪声中特定频率的微弱信号提取出来并进行放大。

4 具体电路设计及分析