【5A版】锁相放大器介绍.ppt

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1、第四章锁相放大器1.概述自从1962年，美国EG&GPARC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。模拟锁相放大器数字锁相放大器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

2、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；（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-inAmplifier)。可理解为:

3、把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。经过调制ωm送入锁相放大器λ(t)I信号恢复λ(t)I随时间缓变的信号信号输入参考信号ωm输出信号（与信号幅度成正比，与相对相位有关）Lock-in锁相放大器的工作过程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：互相关函数式中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）。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，

4、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。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：相关检测方框图f1(t)f2(t)延时器τ乘法器积分器T输出如果两个信号的频率分别为ω1和ω2，并记为：S1(t)和S2(t)的互相关函数为：相关检测的输出信号：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（ω1=ω2）时，才有相关信号输出：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

5、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，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。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。锁相放大器的工作原理如果是一个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

6、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。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。传统锁相放大器的构成原理通常锁定

7、放大器的参考通道输出是和信号同步的对称方波或正弦波，用以驱动相关器的场效应管开关。参考通道主要由触发电路、倍频电路、相移电路、方波形成电路及驱动电路组成。参考触发信号可在仪器内部产生，也可从外部输入，大部分产品由外部输人。输入波形可以是正弦波、方波、三角波、脉冲波等各种周期信号。相关器是一种完成被测信号与参考信号两者互相关函数运算的电子线路。它必须具有动态范围大、漂移小、时间常数可调、线性好、增益稳定和曲率范