锁相放大器介绍PPT课件
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（ω1=ω2） 时，才有相关信号输出：
R12 ()V1(t2 )V2cos)(
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
上式说明当输入信号与参考信号频率相等时，相关检测的
输出信号与输入信号的幅度V1(t)成正比，还与两个信号的 相对相位Δφ 有关。锁相放大器就是基于相关检测的原理，
(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。
模拟锁相放大器
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
如果是一个1Hz和一个1.1Hz的信号相乘，用乘法器相乘得到的结果是 一个交流调制波，基频是1Hz，幅频是0.1Hz
只有与参考信号频率完全一致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏 量，其他信号在输出端都是交流信号。如果在乘法器的输出端加一个 低通滤波器，那么所有的交流信号分量全部被滤掉，剩下的直流分量 就只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。
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。
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
如果两个信号的频率分别为ω1和ω2，并记为：
S1(t)V1(t)sin1(t1) S2(t)V2sin(2t2)
S1(t) 和 S2(t) 的互相关函数为：
lim R12(t)
T
1 2T
T
TV1 V2 sin(1t 1)sin(2t 2 2)dt
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
相关检测方框图
lim R 1(2)T 2 1 T T Tf1(t)f2(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：
f1(t)
乘法器
积分器T
输出
f2(t)
延时器τ
lim
V1 V2 T 4T
T T
cos1
2
t
1
2
2
dt
lim
V1 V2 T 4T
TTcos1 2 t dt
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
相关检测的输出信号：
lim R12(t)
T
V1V2 4T
TTc os1 2t dt
两个信号频率不等的情况下，经过长时间积分平均后输出必定为零，说明 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
可以证明，只有当 f1(t) 和 f2(t) 为同频信号时，才可能
有较大的输出值。锁相放大器正是利用了这个特性，在随 时间的演变过程中两个同频信号可以相互关联，而噪声作 为随机变量与被测信号不相关联，经过长时间积分平均后 对周期性重复信号的累计要比对随机噪声的累计大得多， 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。
将与参考信号同频的信号检测出来，而把与参考信号不同 频的噪声或干扰信号抑制掉，从而提高了测量的信噪比。
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
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。
互相关函数
两个具有确定频率和相位的周期性信号，它们的相关特性可以用互相关 函数来表达：
lim R 1(2)T 2 1 T T Tf1(t)f2(t)dt
式中f1(t) 和 f2(t)为两个周期信号，τ为两个信号之间的任意延迟时间，T
为平均积分时间（或称为时间常数）。
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
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)
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
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
锁相放大器的工作过程
I 随时间缓变的信号
经过调制
λ(t)
ωm
送入锁相放大器
I
信源自文库恢复
输出信号 （与信号幅度成 λ(t) 正比，与相对相 位有关）
信号输入
Lock-in
参考信号
ωm
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
（3）利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄， 而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。
频谱迁移
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
3. 锁相放大器的基本原理
锁相放大器是以相关检测技术为基础，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，利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关， 从而从噪声中提取有用信号。它而是把交流分量放大并变成相应的直 流信号输出。是从强噪声中提取弱信号的重要手段。在国外常把这类 仪器称为锁定放大器(Lock-in Amplifier) 。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。
R12 ()V1(t2 )V2cos)(
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
上式说明当输入信号与参考信号频率相等时，相关检测的
输出信号与输入信号的幅度V1(t)成正比，还与两个信号的 相对相位Δφ 有关。锁相放大器就是基于相关检测的原理，
(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。
模拟锁相放大器
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
如果是一个1Hz和一个1.1Hz的信号相乘，用乘法器相乘得到的结果是 一个交流调制波，基频是1Hz，幅频是0.1Hz
只有与参考信号频率完全一致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏 量，其他信号在输出端都是交流信号。如果在乘法器的输出端加一个 低通滤波器，那么所有的交流信号分量全部被滤掉，剩下的直流分量 就只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。
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。
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
如果两个信号的频率分别为ω1和ω2，并记为：
S1(t)V1(t)sin1(t1) S2(t)V2sin(2t2)
S1(t) 和 S2(t) 的互相关函数为：
lim R12(t)
T
1 2T
T
TV1 V2 sin(1t 1)sin(2t 2 2)dt
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
相关检测方框图
lim R 1(2)T 2 1 T T Tf1(t)f2(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：
f1(t)
乘法器
积分器T
输出
f2(t)
延时器τ
lim
V1 V2 T 4T
T T
cos1
2
t
1
2
2
dt
lim
V1 V2 T 4T
TTcos1 2 t dt
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
相关检测的输出信号：
lim R12(t)
T
V1V2 4T
TTc os1 2t dt
两个信号频率不等的情况下，经过长时间积分平均后输出必定为零，说明 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
可以证明，只有当 f1(t) 和 f2(t) 为同频信号时，才可能
有较大的输出值。锁相放大器正是利用了这个特性，在随 时间的演变过程中两个同频信号可以相互关联，而噪声作 为随机变量与被测信号不相关联，经过长时间积分平均后 对周期性重复信号的累计要比对随机噪声的累计大得多， 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。
将与参考信号同频的信号检测出来，而把与参考信号不同 频的噪声或干扰信号抑制掉，从而提高了测量的信噪比。
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
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。
互相关函数
两个具有确定频率和相位的周期性信号，它们的相关特性可以用互相关 函数来表达：
lim R 1(2)T 2 1 T T Tf1(t)f2(t)dt
式中f1(t) 和 f2(t)为两个周期信号，τ为两个信号之间的任意延迟时间，T
为平均积分时间（或称为时间常数）。
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
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)
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
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
锁相放大器的工作过程
I 随时间缓变的信号
经过调制
λ(t)
ωm
送入锁相放大器
I
信源自文库恢复
输出信号 （与信号幅度成 λ(t) 正比，与相对相 位有关）
信号输入
Lock-in
参考信号
ωm
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
（3）利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄， 而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。
频谱迁移
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
3. 锁相放大器的基本原理
锁相放大器是以相关检测技术为基础，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，利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关， 从而从噪声中提取有用信号。它而是把交流分量放大并变成相应的直 流信号输出。是从强噪声中提取弱信号的重要手段。在国外常把这类 仪器称为锁定放大器(Lock-in Amplifier) 。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。