锁相放大器的工作原理.docx

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。 1. 锁相放大器的工作原理 1. 相关检测及相关检测器。所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）；如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。 如果f1(t)和f2(t-)为两个功率有限信号，刚可定义它们的互相关函数为 (3.1.1)令f1(t)=V1(t)+n1(t)，f2(t)=V1(t)+n2(t)，其中n1(t)和n2(t)分别代表与待测信号V1(t)及参考信号V2(t)混在一起的噪声，则式（3.1.1）可写成 （3.1.2） 式中Rsr()，Rr2()，Rr1()，R12()分别是两信号之间，信号对噪声及噪声之间的函数。由 于噪声的频率和相位都是随机量，他们的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。所以，可认为信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的，他们的互相关 函数为零。于是式（3.1.2）可写成 （3.1.3） 上式表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。根据此原理设计的相关检测器见图（3.1.1）所示。它是锁相放大器的心脏。 图3.1.1相关检测器 通常相关检测器由乘法器和积分器构成。乘法器有两种：一种是模拟式乘法器：另一种是开头式乘法器，常采用方波作参考信号，而积分通常由RC低通滤波器构成。 现在令式（3.1.3）中两个信号均为正弦波： 等测信号为Vs(t)=escost; 参考信号为Vr(t-)=ercos(+)t+.在式中r为两个信号的延迟时间。它们进入乘法器后变换输出为V(t)， 即由原来以为中心频率的频谱变换成以及和频2为中心的两个频谱，通过低通滤波器（简称LPF）后，和频信号被滤去，于是经LPF输出的信号为 若两信号频率相同（这符合大多数实验条件），则=0，上式变为 （3.1.4） 式中K是与低通滤波器的传输系数有关的常数。 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余弦成正比，特别是当待测信号和参考信号同频同位相，即=0，=0时，输出最大，即 可见参考信号也参与了输出。为保证高质量的检测，参考信号必须非常稳定。实际常用的参考信号Vr(t)是方波。 对于Vr(t)是方波的情况，相应采用开关式乘法器，称为相敏检波器（简称PSD）。可将它等效为按输入信号Vs(t)的频率来改变极性的双刀掷开关（参见图10.2.2），此时可令 当待测信号频率和参考信号基波相同时，即r=s，LPE的输出为 ,(3.1.5)式中k仍是与LPF传输系数有关的常数，式（3.1.5）表明，在Vr(t)为方波的情况，经相关检测后，其输出仅与待测信号的幅度es成正比，与两信号的相位差成正比。如图（3.1.2）中Vs(t)和Vr(t)同时改变极性，则两者相位差=0，则 图3.1.2相敏检波器的等效开关电路 V(t)为全部“正”或“负”的脉动，否则V(t)就是“正”或“负”交替的交流信号。信号经RC滤波后得到一定幅值的直流成分 Vo.当=0，时，Vo最大；=/2时Vo=0.如图3.1.3(a)(c)所示。当非同步的干涉信号进入PSD后，得到如图3.1.3(d)的波形。经LPF积分后，平均值为零，得到抑制。这种等效的开关电路可用场效应管斩波器或晶体管开关电路来实现。 理论上，由于噪声和信号不相关，通过相关检测器后应被抑制，但由于LPF的积分时间不可能无限大，实际上仍有噪声电平影响，它与LPF的时间常数密切相关，通过加大时间常数可以改善信噪比。 图3.1.3相敏检波器的输出波形 2、锁相放大器的基本组成。目前锁相放大器类型很多，但其基本组成只有 三大部分，即信号通道、参考通道及相关检测器（参见图3.1.4）。 图3.1.4锁相放大器的基本组成 输入的交流待测信号与噪声一起进入信号通道，经低噪声前置放大器放大再通过高低通滤波，使噪声受到初步抑制，然后送入相敏检波器PSD，以免PSD出现过载。 参考信号进入参考通道后，一般也要经过放大、整形、移相等处理后再送入PSD与待测信号进行相关检测，可以通过调节参考通道的移相器使参考