锁相放大器原理与应用

《锁相放大器原理与应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、「锁相放大器」是一种什么结构的测量仪器？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（LocalOscillation）的、用于做乘法运算的信号，在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

2、号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。在频率域中，如下图所示。锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF）的截止频率来确定的。例如，在测量10kHz的信号时，如果使用1mHz的低通滤波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器时的噪6声抑制能力。如果换算成为Q值，就相当于5×10。要想真正制造这样高的Q值的带通滤波器，那是不可能的。但是，使用锁相放大器，这就很容易实现了。如同前面所解说的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器（BPF）时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会

3、产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实现。由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。那么，实际的锁相放大器又是什么样的呢？■使用PSD（相敏检波器）作为乘法器。如前面所解说的那样，频率变换是通过乘法运算来进行的。一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题

4、。所以，在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换。由开关元件所进行的同步检波电路，称作PSD（相敏检波器，PhaseSensitiveDetector）,这是组成锁相放大器的心脏部分。采用方波作为参照信号，与参照信号同步使被测量信号的极性翻转，也就是在×1/×(-1)这两者之间进行切换。■需要进行相位调节。如下图所示，PSD的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的相位差，而产生很大的变化。由此，低通滤波器（LPF）的输出信号（也就是锁相放大器测量所得到的值）也会产生变化。除了相位差为0°之外，在其

5、他状态下不能很好地测量被测信号的大小。这样，就需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0°，然后再输入到PSD。这个相位调节的电路，称作移相电路（PhaseShifter）,是锁相放大器中必不可少的电路。上述的锁相放大器，称作「单相位锁相放大器」。为了能够正确地测量振幅和相位，需要有能够调节移相电路的「相位调节」部分。另外，如果将参照信号的相位移动90°，使用两个PSD，那么也可以组成不需要调节相位的「双相位锁相放大器」。最后，让我们来说明锁相放大器的一个重要参数——“动态保留”。对于通常的电压表，是有测量量程的。在1

6、0V量程，能测量的最大电压为10V。如果超过了10V电压，那么就需要增大量程，例如，用20V的量程进行测量。锁相放大器也是一种电压表，当然也有测量的量程。但是，锁相放大器是用来测量被掩埋在噪声中的微弱信号的，所以除了通常的测量量程之外，还具有被称作为“动态保留”的一个参数。该参数表示可以容忍测量量程的最大多少倍的噪声，由下面的公式来定义。对于几乎所有的锁相放大器，与被测量的信号在一起，“动态保留”是有若干个档级可以变更的。例如，在一开始介绍的「在要测量的0.1mVrms的目的信号上，叠加了0.1Vrms（≈0.8Vp-p）

7、的噪声电压」的那一个例子中，如果把测量量程设定为0.1mV量程，那么就需要有78dB以上的动态保留。如何测量被噪声埋没了的信号？在测量各种物理量（温度、加速度等）时，用传感器将其变换成为电信号，然后输入到分析仪器（测量仪器）中去。但是，仅想获得必要的信号是很难做到的。通常是连不必要的信号（也就是噪声）也一起被测量了。在各种情况下，噪声都有可能混进来。噪声并不仅限于电信号，也有包含在被测量的物理量中的情况。另外，根据不同场合，也出现噪声强度远远高出所需要的目的信号电平的情况。想要测量的信号越微弱，那么噪声就相对地越大。在这里

8、，让我们来看一下用交流电压表来测量不同电平的1kHz的正弦波信号的结果。在信号上叠加了0.1Vmrs的白噪声。“毫伏计”是一般的交流电压表，“锁相放大器”是一种专门测量微小信号的（特殊的）交流电压表。信号电平波形毫伏计的锁相放大器的（正弦波信（叠加了噪声的波形）测量结果测量结果号）1Vrms1Vrms0