第四章锁相放大器
锁相放大器的原理及应用
锁相放大器的原理及应用1. 原理介绍锁相放大器（Lock-in Amplifier）是一种精密的信号处理仪器，常用于测量微小信号在高噪声环境中的幅度和相位。
其原理基于信号的时域和频域分析。
锁相放大器的工作原理如下：1.输入信号和参考信号分别经过同步检波器和相位补偿器。
同步检波器通过将输入信号和参考信号相乘，得到一个混频输出信号。
相位补偿器则用于调节参考信号的相位，使其与输入信号处于同一相位。
2.混频输出信号经过低通滤波器，滤去高频噪声和杂散信号，得到幅度和相位信息。
3.幅度和相位信息经过放大器放大后，输出到显示器或数据采集系统进行数据处理和分析。
2. 应用领域锁相放大器在各个领域都有广泛的应用，下面列举了几个主要的应用领域：2.1 光学领域2.1.1 光学干涉测量锁相放大器可以应用于光学干涉测量中，通过与参考光信号进行比较，提取出微小的干涉信号。
这对于测量物体表面形貌、薄膜厚度等具有重要意义。
2.1.2 光谱分析在光谱分析中，锁相放大器可以提取出光源的频率和相位信息，对于研究材料的光学性质、标定光谱仪等具有重要应用价值。
2.2 生物医学领域2.2.1 生物传感器生物传感器通常需要对微弱的生物信号进行放大和处理。
锁相放大器可以实现对生物信号的高灵敏度检测，应用于生物传感器的信号放大和分析。
2.2.2 磁共振成像（MRI）在磁共振成像中，锁相放大器可以对磁场感应信号进行放大和处理，提高成像的灵敏度和分辨率。
2.3 物理实验领域2.3.1 基础粒子物理实验在基础粒子物理实验中，需要对微小的粒子信号进行检测和处理。
锁相放大器可应用于实验中对粒子信号的放大和分析，用于寻找新的粒子。
2.3.2 材料科学研究锁相放大器可以应用于材料科学研究中，对材料的电学、热学、磁学等性质进行测量和分析。
3. 优势和限制3.1 优势•高灵敏度：锁相放大器可以放大微弱信号，提高信号与噪声的比值，从而实现对微小信号的检测。
•抗噪声能力强：锁相放大器可以滤除高频噪声和杂散信号，提高信号的纯度和准确性。
锁相放大器介绍
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
第四章 锁相放大器
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
1.概述
自从1962年，美国EG&G PARC公司制作了第一台锁相放大器(LIA)的后， 微弱信号检测技术得到了突破性的发展。后来又出现了模拟锁相放大器 (ALIA) 和数字锁相放大器(DLIA) 。对于数字锁相放大器而言，又出现 基于单片机的DLIA 和基于专用DSP的DLIA 。还有基于PC 的系统级模块 化DLIA ，这种锁相的算法是采用C， C++等语言实现的。由于整个系统 运行在PC平台上，所以可以使用各种仿真软件对算法进行研究。
多，从而有可能将深埋于噪声背景中的信号取出，这就是 相关检测方法能提高信噪比的原因。
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
相关检测方框图
R12 ( ) lim
T
1 2T
T
T
f1 (t ) f 2 (t )dt
我们可以按照上式来设计一个电路，其方框图如下， f1(t) 和 f2(t) 为周期函数：
测量过程
斩光器 光源 探测器 信号
Lock-in
输出信号
参考信号
I
ωm
λ( t ) I ωm
λ(t)
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
在使用过程中须注意对相位的调整，只有在某个恰当的相位 条件下有最大幅度的输出信号。此外，积分时间常数 T 的选 取也很重要，时间常数T 越长，相当于低通滤波器的带宽越窄， 对噪声的抑制能力越强。但由于我们所测量的是一个幅度缓慢 变化的信号 V1(t)，它仍然占有一定的频带宽度，因此，低通 滤波器就需要有一定的带宽，保证该信号通过。如果时间常数
第四讲 锁定放大技术
第四讲 锁定放大技术
4.1 概述
• 锁定（锁相）放大器（lock-in amplifier） 就是利用互相关原理设计的一种同步相关 检测仪。 • 锁定放大电路利用相关检测技术，基于互 相关原理，使输入待测的微弱周期信号与 频率相同的参考信号在相关器中实现互相 关，从而将深埋在大量的非相关噪声中的 微弱有用信号检测出来，起着检测器和窄 带滤波的双重作用。
4.2 相敏检测
• 相敏检测器是锁定放大器的核心部件， 鉴幅又鉴相。 • 相敏检测器实现了被测信号与参考信 号的互相关运算。 • 通常有模拟乘法器型相敏检测器和电 子开关型相敏检测器。其中电子开关 式相敏检测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。
4.2.1 模拟乘法器型相敏检测器 • 相敏检测器输出up(t)： up(t)=x(t)· r(t)
• 3、低通滤波器
• 低通滤波器的作用就是滤除PSD输出的高频部分。 低通滤波器的时间常数RC越大，锁定放大器的通 频带宽就越窄，抑制噪声的能力就越强。 • 时间常数RC通常做成可调的，以适应不同被测信 号的频率特性需求。
4.3.2 正交矢量型锁定放大器
• 采用两组相敏检测器和LPF，实现同时 输出同相分量和正交分量。
SNIR
f N 1 f NLPF
• 其中△fN1为PSD的前置级电路的等效噪声带 宽；∆fNLPF为PSD中的LPF的等效噪声带宽。
• ④相敏特性 • 当输入信号为一恒定幅度的与参考信号同 步的对称方波时。PSD的输出直流电压和 参考信号与位相差φ成线性关系。PSD可以 作鉴相器使用。
4.3 锁定放大器的组成与类型
n 1
2VrVn
(1) n 1 cos[(wn (2n 1)w0 )t ] n 1 2n 1
锁相放大器 原理
锁相放大器原理锁相放大器是一种高灵敏度、高稳定性的测量仪器，主要用于测量高精度的弱信号，如光信号和电信号。
其原理是利用参考信号和待测信号的相位差，进行频率选择和信号增益放大。
锁相放大器基本原理是通过一个正弦参考信号和待测信号在相位上的比较来测量待测信号的幅度和相位差。
在锁相放大器中，参考信号经过参考信号发生器产生，同时作为激励信号送入模拟电路，待测信号则在探测器中测量得到，然后送入锁相放大器。
在锁相放大器中，待测信号与参考信号混频，同时将混频信号分为正弦和余弦两路。
正弦和余弦两路信号分别经过相移器和低通滤波器，得到相位和幅度信息，最终输出通过运算放大器得到的结果。
锁相放大器最大特点是可以通过不同相位角的乘法器来进行相位选择，使得信号在不同相角的幅度值得到不同的权重，从而提高锁相放大器的灵敏度和稳定性。
锁相放大器主要有四个部分组成：参考信号发生器、混频器、相位选择器和低通滤波器。
参考信号发生器用于产生基准信号以及参考信号，基准信号一般是一定频率和幅度的正弦波。
混频器用于将待测信号与参考信号进行混频，在混频时需要注意保证混频信号在频率范围内。
相位选择器一般包括相移器、乘法器、运算放大器等，用于对混频信号进行相位角的选择，从而提高锁相放大器的灵敏度和稳定性。
低通滤波器主要用于滤除混频信号中的高频噪声，提高测量精度。
锁相放大器具有很多优点。
首先，相比于其他测量仪器，锁相放大器具有较高的灵敏度和低的噪声；其次，相位选择器可以实现对混频信号相位的选取，提高了系统的稳定性；最后，锁相放大器具备强抗干扰性，能够有效地抑制外部干扰信号，提高测量精度。
锁相放大器广泛应用于生物医学、光学、物理、电学等领域。
其中，在光学领域，锁相放大器主要用于实现光学检测和光学成像；在电学领域，锁相放大器主要用于检测直流信号和交流信号的分量，同时也可以用于测量电容、电感和电阻等电学元件的参数。
在物理领域，锁相放大器主要用于精密时间测量和振动测量等领域。
(完整版)锁相放大器的工作原理
锁相放大器的工作原理一．什么是锁相放大器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。
锁相放大器实物图二．锁相放大器的构成锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。
在外差式振荡技术中被称为本地振荡（Local Oscillation）的、用于做乘法运算的信号，锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。
锁相放大器能够（从被测量信号中）检测出与这个参照信号频率相同的分量。
在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器（LPF）。
其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。
在频率域中，如下图所示。
锁相放大器的基本组成三．锁相放大器的应用锁相放大器可用于检测到在杂噪信号中被埋没的微弱的信号。
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。
应用一:用于测量现场尘粒浓度。
尘粒浓度测量仪采用光电收发对称式探测头，能够对温度、振动、器件老化等因素进行抑制。
光信号在烟道中的衰减与烟道中尘粒浓度关系遵从朗伯-比尔定律。
当烟道内尘粒浓度增大到一定程度，使得光信号大幅衰减，环境杂散光等成为不可忽视的噪声信号。
应用二：用于红外线温度传感器的低温范围拓展。
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、锁相放大器基本原理二、锁相放大器在处理直流信号中的应用三、锁相放大器的优势与局限性四、如何选择合适的锁相放大器正文：一、锁相放大器基本原理锁相放大器（Lock-in Amplifier）是一种具有高度selective（选择性）、high-impedance（高阻抗）和high-gain（高增益）特性的放大器。
其基本原理是通过将输入信号与本振信号进行混频，得到一个交流信号，然后对交流信号进行放大，最后通过低通滤波器得到放大后的直流信号。
二、锁相放大器在处理直流信号中的应用锁相放大器在处理直流信号时，可以有效地抑制噪声和干扰，提高信号的信噪比。
在实际应用中，锁相放大器广泛应用于电信号处理、生物医学信号处理、通信系统等领域。
1.电信号处理：在电信号测量中，锁相放大器可以有效地抑制工频干扰、电磁干扰等，从而提高测量精度。
2.生物医学信号处理：在生物医学领域，锁相放大器可以用于心电信号、脑电信号等微弱信号的检测，提高信号质量。
3.通信系统：在通信系统中，锁相放大器可以用于放大和处理基带信号、载波信号等，提高通信质量。
三、锁相放大器的优势与局限性1.优势（1）高增益：锁相放大器具有很高的增益，可以放大微弱信号，提高信号质量。
（2）高选择性：锁相放大器对特定频率的信号具有很高的选择性，可以有效抑制噪声和干扰。
（3）线性度好：锁相放大器具有很好的线性度，能够保证信号的失真度较低。
2.局限性（1）成本较高：锁相放大器的制作成本相对较高，尤其是在高性能锁相放大器方面。
（2）体积较大：锁相放大器通常需要一定的体积来容纳相关电路，因此在便携式设备中应用受限。
四、如何选择合适的锁相放大器1.确定应用场景：根据实际应用需求，选择适合的锁相放大器，如电信号处理、生物医学信号处理等。
2.选择合适的增益范围：根据待放大信号的幅度范围，选择合适的增益范围，以保证信号不被过载。
3.考虑带宽和频率响应：根据信号的频率特性和噪声特性，选择具有合适带宽和频率响应的锁相放大器。
锁相放大器
功能是为相敏检波器提供一个与输入信号同 相方波或正弦波。
相关器：
锁相放大器原理：
Vs (t) es cost
Vr (t ) er cos[( )t ]
1.待测信号为：
在V 式(t)中 Vs (t)为V两r (t个信) 号 e的ser延co迟s[(时 间。)它t 们进] c入ost 乘法器12后ese变r{换co输s(出t为V()t)，cos[(2 )t ]}
即V由o (原t) 来 K以eωse为r c中os心(频t率的)频谱变换成
0
若两信号频Vo率(t)相同K（ese这r c符os合大多数条件），
则
，上式变为
K是与低通滤波器的传输系数 0,有 0关的常数。
Vo (r) Keser
上式表明，若两个相关信号为同频正弦波 时，经相关检测后，其相关函数与两信号幅 度的乘积成正比，同时与它们之间位相差的
红外探测器所得曲线作为真值来校准 温度传感器的频率响应并获取系统误差的修
谢谢
u0 t
2VsVr
cos
u0 t与情况1类似
3. xt为正弦波含单频噪声， rt为正弦波
xt Vs cos0t Vn cosnt
rt cos0t Vr 1
信号项
和频项
up t xt rt 0.5Vs cos 0.5Vs cos20t
0.5V n cosn 0 t 0.5Vn cosn 0 t
信号与噪声的和频项 信号与噪声的差频项
经低通，第二项、第三项被滤除
u0t 0.5Vs cos 加n0 LPF带宽的噪声
锁相放大器在温度传感器校准系统
中的应用
在瞬态温度测量中,温度随时间迅速变化,由于测温传感器 感温件的热惯性和有限热传导,测出的温度与实际温度存在差 别,这种差别即为动态响应误差。为了尽量减少这类系统误差, 需对测温传感器进行动、静态校准。校准装置由于存在电源噪 声、辐射噪声、震动噪声及回馈控制噪声等的影响,低温下系 统的微弱信号将被噪声淹没,无法分辨有效的信号,使系统无法 在低温范围对温度传感器校准 。在系统中加入锁相放大器,利 用噪声与参考信号不相关,而湮没于噪声当中的微弱信号与参 考信号有着极高的相关性的特点,从而改善了系统的信噪比,拓 宽了校准系统的温度下限。
锁相放大器原理
锁相放大器原理
锁相放大器原理是一种在测量系统中应用的电子技术，用于提取和放大输入信号中特定频率的成分。
该原理基于相位锁定环路的工作原理，通过与参考信号进行比较和处理，从而实现对输入信号的精确测量。
锁相放大器由几个主要部分组成，包括参考信号源、混频器、低通滤波器、放大器和相位锁定环路。
首先，参考信号源产生一个稳定的频率和相位的信号，作为参考信号输入到混频器中。
混频器将输入信号与参考信号进行乘积运算，产生一个包含频率和相位差的交流信号。
接下来，低通滤波器过滤掉高频成分，只保留所需的频率成分。
通过放大器对滤波后的信号进行放大，以增强信号的强度。
最后，信号被送回相位锁定环路，与参考信号进行比较并进行反馈调节。
相位锁定环路通过控制输入信号的相位，使其与参考信号同步，从而实现对输入信号的精确测量。
锁相放大器的工作原理基于负反馈控制，通过持续的相位比较和调节，使输入信号的相位与参考信号保持一致。
通过这种方式，锁相放大器可以提取和放大输入信号中特定频率的成分，从而提高信号的测量精度和灵敏度。
总之，锁相放大器利用相位锁定环路的原理，通过与参考信号的比较和调节，实现对输入信号的精确测量。
它在科学研究、精密测量、信号处理等领域具有广泛的应用。
锁相放大器的工作原理
锁相放大器的工作原理一、前言锁相放大器是一种广泛应用于科学研究和工程领域的仪器，它的工作原理基于相位检测和信号调理。
本文将介绍锁相放大器的工作原理，并探讨其在实际应用中的重要性和优势。
二、基本原理锁相放大器的基本原理是通过参考信号对输入信号进行相位检测和调理。
它的核心组件是相位敏感检测器（Phase Sensitive Detector, PSD），它能够提取输入信号中特定频率的相位信息。
相位敏感检测器将输入信号与参考信号相乘，并进行低通滤波，得到一个输出信号，该输出信号与输入信号在相位上保持一致。
通过调整相位敏感检测器的参考信号和滤波器的参数，可以实现对输入信号的相位、幅度和频率进行精确的调理和测量。
三、工作原理详解锁相放大器的工作原理可以分为两个关键步骤：相位检测和信号调理。
1. 相位检测：锁相放大器的相位检测过程实际上是将输入信号和参考信号进行相乘，并提取特定频率的相位信息。
通过相位敏感检测器，输入信号的相位信息被转换成直流信号输出，实现了对输入信号相位的测量。
2. 信号调理：在相位检测的基础上，锁相放大器还可以对输入信号进行调理。
一般来说，锁相放大器会提供一些常用的滤波器和增益调节功能，以便将信号调理至适合实验要求的范围内。
通过这些功能，锁相放大器能够去除噪声、增强信号强度，并根据实验需求进行频率选择和增益调节。
四、应用领域锁相放大器在科学研究和工程实践中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1. 光学实验：在光学实验中，锁相放大器用于检测和调理光强调制信号，从而实现光强度、相位、频率的精确测量。
例如，在光学干涉仪的测量中，锁相放大器被用于检测干涉信号的相位差，以实现高精度的测量结果。
2. 生物医学：锁相放大器在生物医学领域的应用非常广泛。
例如，在生物体内信号的检测和处理中，锁相放大器可以帮助研究人员提取特定信号的相位和幅度信息，实现对生物体信号的精确测量和分析。
3. 电子学：在电子学实验和工程应用中，锁相放大器被广泛应用于信号调理和测量。
锁相放大器的工作原理简介
锁相放大器的工作原理简介
锁相放大器是一种用于测量微弱信号的仪器，其工作原理基于相位锁定环路。
锁相放大器通常由频率发生器、参考信号源、锁相环、放大模块和检波器组成。
首先，频率发生器产生一个稳定的参考信号，作为锁相放大器工作的基准。
参考信号源将参考信号与待测信号进行比较，并产生一个相位差信号。
接下来，相位差信号被输入到锁相环中。
锁相环由一个相位检测器、低通滤波器和控制电路组成。
相位差信号经过相位检测器进行相位检测，得到一个误差信号。
低通滤波器将误差信号滤波，去除高频成分，并将滤波后的信号送回给控制电路。
控制电路根据误差信号的大小和方向来调整参考信号的相位和频率，使得误差信号趋近于零。
这样，锁相放大器实现了将待测信号进行相位与频率跟踪的功能。
最后，放大模块接收锁相放大器的输出信号，将其放大到合适的幅度，并输出为测量结果。
通过锁相放大器的工作原理，可以提高待测信号的信噪比，从而实现对微弱信号的精确测量。
锁相放大器介绍
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
例：光谱测量过程
在光谱测量中，经常遇到的是一种幅度随时间缓慢变化的
连续型信号V1(t)。在采用锁相放大器进行检测时，先要对此
信号进行某种调制，变换成一个与参考信号同频率的交流信
号，经过锁相放大器同频相检后，将一个与V1(t)成正比的放
模拟锁相放大器
数字锁相放大器
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
2. 锁定放大器抑制噪声的基本出发点
( 1 )用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率处,再进行放大,
以避开1 /f 噪声的不利影响；
( 2 )利用相关器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声 与信号同频又同相的概率很小；
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
传统锁相放大器的构成原理
图为典型的锁相放大器原理构成图。一般锁相放大器的组成分为三部分: 信号通道、参考通道和相关器。
被检测的信号往往是很微弱的，并且伴随的噪声很大。信号通道的作用是 将伴有噪声的微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功能，从而扩大仪器的动态范围。因此信号通道位于 相关器之前，它由输入变压器、低噪声前置放大器、各种功能的有源滤波 器和主放大器等组成。
频率不等的两个信号是不相关的。只有当两个信号频率完全相等（ω1=ω2）
时，才有相关信号输出：
R12 (? )
?
V1(t) ?V2 2
cos(?
?
)
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
第四章锁相放大器
Ra>Rb ，则 Ib>Ia
Tb ( Ib Ia )C
Tb 3 6 0 T
4 锁相放大器
4.3 锁定放大器的组成 4.3.2 正交矢量型锁相放大器
cos( t ) sin( t )
(1) 基本原理
f (t ) Vs cos( t )
5
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.1 相关检测原理 (2) 互相关检测
fi (t ) xi (t ) ni (t )
ni (t )
Rnf ( )
LPF
ni (t )
延迟τ
Rnf ( ) E{[ ni ( t )][ xi ( t ) ni ( t )]} Rnx ( ) Rn ( )
1 1 ( RC )2
0.707
Δω ＝ω － ω0
ω0
ω0-ω=1/RC
ω
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成 (1) 乘法器型相敏检测器
① 正弦波信号、正弦波参考 LPF为一阶 RC 低通滤波器 Ⅰ 幅频特性 -3dB带宽（半边带）
1 2 ( RC ) 1
2
-6dB带宽（半边带）
主要噪声项 xⅱ) = 0.5Vr A(t )cos[(w0 - wx )t + j (t ) ]= 0.5Vr x (t ) (t
x( t ) 0.5Vr A( t ) cos(0 x )t ( t ) 0.5Vr x( t )
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成 (1) 乘法器型相敏检测器
4 锁相放大器
4.3 锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成
锁相放大器原理
锁相放大器原理
锁相放大器是一种电子测量仪器，用于测量信号的幅度和相位。
其工作原理基于相位比较和反馈控制。
锁相放大器通过与参考信号比较输入信号的相位差，以获得输入信号的幅度和相位信息。
为了实现相位比较，锁相放大器内部产生了与参考信号频率相同的参考信号。
该参考信号与输入信号进行乘法运算后，得到两者的乘积信号。
乘积信号经过低通滤波器，滤除高频成分，得到直流分量。
该直流分量与参考信号的相位差决定了乘积信号的幅度。
通过控制参考信号的相位，可以改变乘积信号的幅度。
为了实现相位和幅度的测量，锁相放大器引入了反馈控制。
反馈控制通过调整参考信号的相位，使得乘积信号的幅度最大化。
通过不断优化相位调整，锁相放大器可以获取输入信号的精确幅度和相位信息。
通过锁相放大器，可以对微弱或者嵌入在噪声中的信号进行精确的测量。
其广泛应用于光学、电子学、生物医学和材料科学等领域。
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。
锁相放大器的工作原理
锁相放大器的工作原理
锁相放大器是一种用于信号处理的仪器，其工作原理基于锁相环的概念。
锁相放大器主要用于测量微弱的交流信号，可提供高增益，并消除信号中的噪声和杂散干扰。
锁相放大器的工作原理可以分为三个基本步骤：调制、解调和滤波。
首先，信号源会将待测信号与一个参考信号进行调制，生成一个调制信号。
接下来，调制信号被送入锁相放大器的输入端，放大器会将信号与内部的参考信号进行相乘。
然后，锁相放大器进行解调，将调制信号转换为直流信号。
解调过程通过与参考信号进行相乘，并使用低通滤波器来滤除高频噪声。
最终，锁相放大器输出一个与原信号相位一致的直流电压，该电压与原信号的幅度成正比。
由于锁相放大器输出的是直流信号，可以通过测量该直流信号的幅度来获取原信号的幅度。
锁相放大器的核心是锁相环，它由相位比较器、低通滤波器和电压控制振荡器组成。
锁相环通过不断调整其内部振荡器的频率和相位，使得参考信号和待测信号的相位保持一致，从而实现信号的放大和滤波。
总之，锁相放大器通过使用锁相环的原理，将参考信号和待测信号的相位进行匹配，从而放大和提取微弱的信号，并在整个过程中过滤和抑制噪声干扰，使得测量结果更加准确和可靠。
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2
Be
0
1 1 (RC )2
d Be
2R C
SNR o 4 RC SNIR B SNR i
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成 (1) 乘法器型相敏检测器
⑥ 正弦波信号＋窄带白噪声、方波参考
r(t ) 4Vr
主要噪声项 xⅱ) = 0.5Vr A(t )cos[(w0 - wx )t + j (t ) ]= 0.5Vr x (t ) (t
x( t ) 0.5Vr A( t ) cos(0 x )t ( t ) 0.5Vr x( t )
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成 (1) 乘法器型相敏检测器
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成 (1) 乘法器型相敏检测器
④ 正弦波信号＋窄带白噪声、正弦波参考
f ( t ) Vs cos( 0 t ) x ( t ) r ( t ) Vr cos 0 t
x(t ) xc (t ) cosxt xs (t ) sinxt
m 1
( 1) m 1 cos( 2 m 1)0 t 2m 1
x ( t )
2Vr A( t )
m 1
( 1) m 1 cos[( 2m 1)0 x ]t ( t ) 2m 1
加入输入带通滤波器
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD) (2) 开关型相敏检测器(构成框图)(同乘法型PSD间的区 别)
3
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.1 相关检测原理 (1) 自相关检测
fi (t ) xi (t ) ni (t )
R f ( )
LPF
fi (t )
延迟τ
R f ( ) E{[ xi ( t ) ni ( t )][ xi ( t ) ni ( t )]} Rx ( ) Rn ( ) Rx n( ) Rnx ( )
变压器倒相 加模拟开关
运算放大器倒 相加模拟开关
方波参考 Vr=1
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD) (2) 开关型相敏检测器(波形图)
方波参考 Vr=1
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD) (2) 开关型相敏检测器(基本器件与电路)
⑤ 信噪改善(正弦波信号＋窄带白噪声、正弦波参考)
sin( B ) Rx ( ) N 0 B cos( 2 f0 ) B
输入信号功率
SNR i Pni Px i
输入噪声功率
Pxi Rx (0) N0B
1 Pno Vs2Vr2 8 Vr2 Px 0 N 0 Be 8
4
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.1 相关检测原理 (1) 自相关检测
R f ( ) Rx ( ) Rn ( ) Rx n( ) Rnx ( ) Rx ( ) Rn ( )
xi(t)与ni(t)相互独立，则互不相关，因而为零。 1 当 ni(t)为振幅等于1的正弦信号， Rn ( ) co s( ) 2 当 xi(t)为白噪声、且τ足够大时， Rx(τ)→0。
2VsVr
2VsVr
( 1) cos( 2m 2)0t 2m 1
u0 ( t ) 2VsVr
和频
差频
( 1) m 1 cos( 2m0t ) 2m 1
cos
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成 (1) 乘法器型相敏检测器
微弱信号检测
1
4 锁相放大器
4.1 概述
4.1.1 特点 锁相放大器相当于高Q值带通滤波器， 采用一种特殊的方法，利用低通滤波器代替 带通滤波器，使“实际的”带通滤波器的Q 值提高到107 左右，而且实现了一种特殊的 带通滤波器，能够自动地将中心频率跟踪和 保持在测量频率上。
2
4 锁相放大器
4.1 概述 4.1.2 原理
4 锁相放大器
4.3 锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成
(1) 信号通道 ① 交流放大器 ② 带通滤波器(LPF＋HPF 特性曲线)
4 锁相放大器
4.3 锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成 (1) 信号通道
(2) 参考通道(过零单稳触发Ui＋移相Uo ＋方波形成)
移相器
4 锁相放大器
4.3 锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成 (1) 信号通道
① 差分输出放大器 ② 单刀双掷模拟开关
HC4053 三单刀双掷模拟开关
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD) (2) 开关型相敏检测器(基本器件与电路)
③ 差分输出放大器＋ 单刀双掷模拟开关组合电路(乘法)
方波参考
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD) (2) 开关型相敏检测器(基本器件与电路)
1 1 ( RC )2
0.707
Δω ＝ω － ω0
ω0
ω0-ω=1/RC
ω
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成 (1) 乘法器型相敏检测器
① 正弦波信号、正弦波参考 LPF为一阶 RC 低通滤波器 Ⅰ 幅频特性 -3dB带宽（半边带）
1 2 ( RC ) 1
2
-6dB带宽（半边带）
④ IGFET＋单端输出集成运放组合电路(乘法)
方波参考
4 锁相放大器
4.3 锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成
(1) 信号通道 ① 交流放大器(低噪前置＋AC放大) ② 带通滤波器
4 锁相放大器
4.3 锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成
(1) 信号通道 ① 交流放大器 ② 带通滤波器(LPF＋HPF 原理图)
u p ( t ) r ( t ) f ( t ) Vs cos( 0 t ) x ( t )Vr cos 0 t 0.5VsVr cos 0.5VsVr cos( 20 t ) 0.5Vr xc ( t ) cos( 0 x ) t 0.5Vr xc ( t ) cos( 0 x ) t 0.5Vr x s ( t ) sin( 0 x ) t 0.5Vr x s ( t ) sin( 0 x ) t
cos( t )
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成 (1) 乘法器型相敏检测器
① 正弦波信号、正弦波参考 LPF为一阶 RC 低通滤波器 Ⅰ 幅频特性
u0 ( t ) 0.5VsVr 1 ( RC )2 cos( t )
|H(ω)|
| H ( ) |
4 锁相放大器
Phase Sensitive Demodulator 相位灵敏调解器 ／相敏检测
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD) (1) 乘法器型相敏检测器
r(t )
u p (t )
n(t )
LPF
u0
u0
1 VsVr co s 2
① 正弦波信号、正弦波参考
n(t ) Vs cos( 0t )
xi(t)与ni(t)相互独立，则互不相关，因而为零。
6
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.1 相关检测原理 (3) τ的选择
设被检测信号为正弦波
当 k 1
2
时,
1 Rn ( ) co s( ) 0 2
对于互相关检测， Rnf ( ) Rnx ( ) Rn ( ) Rn ( ) 取τ= 0, Rn(τ )具有最大值。
1 up ( t ) n( t ) r ( t ) VsVr co s( 0t ) co s(t ) 2 2
LPF为一阶 RC 低通滤波器
| H ( j ) | 1 1 (RC )
u0 ( t )
2
幅频／相频特性
arc tan (RC)
0.5VsVr 1 ( RC )2
x(t ) A(t ) cos[ xt (t )]
N0 S x ( ) 2
B 0Biblioteka xc (t ) A(t ) cos(t ) xs (t ) A(t ) sin(t )
2 2 A( t ) xc ( t ) xs ( t )
xs ( t ) ( t ) arc tan xc ( t )
5
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.1 相关检测原理 (2) 互相关检测
fi (t ) xi (t ) ni (t )
ni (t )
Rnf ( )
LPF
ni (t )
延迟τ
Rnf ( ) E{[ ni ( t )][ xi ( t ) ni ( t )]} Rnx ( ) Rn ( )
1 1 2 1 ( RC ) 2 ( RC ) 2 3 3 1.732 RC RC
1 1 ( RC ) 2
1 RC
4 锁相放大器
4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成 (1) 乘法器型相敏检测器
① 正弦波信号、正弦波参考 Ⅱ 相频特性
4 锁相放大器
1 2 Pni Vs 2 Vs2 2N0 B
输出信号功率
输出噪声功率