锁相放大器综述

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锁相放大器的原理及应用

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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

次与扩大了应用围。国外相较于国而言，起步要早一些，己研发出一系列锁相放大器。美国公司、美国公司是行业的龙头企业，它们所研制的模拟型：、和数字型：、、、均已有较成熟的发展与应用。其中公司是世界围数字锁相放大器研制的佼佼者，该公司的产品在到的频率带宽可测，具有自动获取、自动补偿功能，具有谐波抑制功能、度的相位分辨率和大于的动态保留，时间常数位从到可调，它的数字信号处理设计使它具有很大的动态存储，这就减少了使用带通滤波器时带进的噪声以及系统的不稳定性。就国而言，大学唐鸿宾等对锁相放大器的研宄起步较早，研发出了系列锁相放大器，该校微弱信号检测中心顺势研发出了新一代系列锁相放大器，在著名的唐鸿宾教授带领下，该中心现在仍然在不断出现新的研宄成果。如：能抑制同频干扰的锁相放大器、型锁相放大器、虚拟锁相放大器等。在新产品不断出现的同时，越来越多人投入到有关数字锁相算法的研究中，采样方法中反向与正交法、累加法中四、六等分累加法与分段累加法接连出现，这些新的算法的出现，都为微弱信号检测提供了支持与方便。

三、锁相放大器工作原理

锁相放大器简称是利用相关原理中的互相关的原理设计的一种可用于微弱信号检测的设备它是一种可对信号进行相敏检波的放大器。在测量中，噪声是人们不喜欢见到的干扰信号，其中对仪器设备影响较大的是白噪声以及噪声。系统中噪声的出现会对有用信号造成不利影响，常使有用信号被其覆盖。为了降低影响，通常会采用窄带滤波器去增大信号的。但是，滤波器也有局限性：值即中心频率与通带宽度的比值受滤波器硬件部分等的限制，这影响到它不能更高层次的提取有用信号、滤除噪声。锁相放大器是利用相关原理设计而成，将乘法器与积分器

连接在同一条通路上，进行相关运算，去除噪声，可以大大提高抑制噪声的能力。而这些，如果是采用带通滤波器，则可能产生较大测量误差，直接后果就是把有用信号误当成噪声滤除了。通过之前的分析知道系统受到噪声中低频段部分的影响，因此可以利用斩波技术，将易受影响的部分变成高频交流信号，从而降低系统受低频部分的影响程度锁相放大器主要利用了参考信号与被测信号同频、同相的关系，也就是通常指的同步，它只对被测信号中的某一部分有响应，因此，就无所谓频率稳定与否。研究表明，锁相放大器使信噪比提高倍数在级上，换算成信噪比是以上，能在比有用信号强千倍的噪声中将有用信号提取出来，可以使值提高百万倍。这些都显示了利用锁相放大器进行检测系统设计能使系统具有许多优点，如它可以较强的抑制噪声。现在的技术日新月异，锁相放大器的性能更加强大：比如新型的双相数字锁相放大器、多通道锁相放大器、精密锁相放大器等。它们有极高的放大倍数和增益，且增益的精度高。目前，锁相放大器的核心器件模拟相敏检波器正被数字信号处理器）所取代，这进一步地提升了它的性能由此可见，锁相放大器有许多优点，如良好的抗噪性能与很高的检测灵敏度。对于锁相放大器，在通频带非常窄的围同样能实现检测功能，它是把交流信号放大并将它变成相应的直流信号进行输出。检测的实现实际上就是在待测信号中找到与参考信号同步的信号并将它放大，最终实现检测有用信号的功能，。因此，称这种仪器为锁相检测仪和同步检测仪也许更加形象。但它的学名仍叫锁相放大器。目前，市面上常用的锁相放大器有模拟的和数字的两类，通过对它们之间进行比较发现：前者具有起步早、速度快、参数稳定性和灵活性差等特点，而后者是随着数字技术的发展而出现的，它常用高速对信号进行高速采样，因此这对微处理器有很高的要求。

四、锁相放大器的构成

图为典型锁相放大器的组成：相关器、信号通道、参考通道。有用信号常常十分微弱，同时存在强的噪声。

图4-1典型的锁相放大器原理

1)信号通道

信号输入后先经过信号通道，它是由前置放大器、滤波与衰减功能的元器件、放大器等各部分组成，如图中。它起到将输入信号放大，为后面的相关器工作提供方便的作用。与此同时，滤波器工作将系统中的干扰信号滤掉，因此，信号通道有低噪声的特点。将前置放大器作为信号通道中的第一个部分，主要考虑到了输入信号很小，是、级甚至更加微弱，那么输入后首要任务是将输入信号进行放大，它的要往往需要高输入阻抗，低输出阻抗以及较高的电压增益。

2)参考信号

互相关接收两种信号：分别是被测信号与参考信号。参考输入信号首先经过参考通道分别经过触发电路、频率变换电路、相移电路、方波驱动电路后以方波信号形式输出。输入信号与参考信号是同时分别送入到信号通道与参考通道，因此，这两部分的输出也是同步的。参考信号的来源有两类：一种是