鎖相放大器是一種通過將測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較來測(cè)量頻率ω S = 2πf S的周期信號(hào)的幅度AS和相位θ的技術(shù)。這種技術(shù)稱為相位敏感檢測(cè)(PSD)。

該方法可以通過對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行一段時(shí)間內(nèi)的平均值，將信號(hào)的信噪比(SNR)提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。鎖相放大器能夠高精度地檢測(cè)小信號(hào)，因此成為信號(hào)再現(xiàn)的常用工具。對(duì)于信號(hào)再現(xiàn)和相敏檢測(cè)，待測(cè)信號(hào)由窄帶濾波器隔開，從而降低噪聲對(duì)被測(cè)信號(hào)的影響。

圖1顯示了基本的測(cè)量設(shè)置。參考信號(hào)Vr也提供給被測(cè)器件。該參考信號(hào)在典型非線性器件中因衰減、放大、相移和失真而變形，V S = A S COS (Ω S T + θ S) + 諧波分量 這將是一個(gè)信號(hào)。

圖1使用搖滾放大器進(jìn)行基本測(cè)量設(shè)置

實(shí)際上，鎖相放大器使用混頻器和低通濾波器通過帶濾波器分離信號(hào)，如圖2所示。混頻器將目標(biāo)信號(hào)分為低頻(理想情況下DC：ωS = 0)和高頻，低通濾波器切斷不需要的高頻分量。

圖2鎖相放大器混頻器和低通濾波器概念圖

混頻器將輸入信號(hào)VS (t)乘以參考信號(hào)Vr (t) = √2 e 。

其中ω r = 2πf r 表示解調(diào)頻率(參考信號(hào)的頻率)，i 表示虛數(shù)單位。

它是構(gòu)成正交解調(diào)器組件的SIN和COS信號(hào)(90°相移)的復(fù)雜表示，允許測(cè)量測(cè)量信號(hào)的幅度和相位。

原則上，測(cè)量信號(hào)可以乘以任何頻率的參考信號(hào)，并且可以在外差模式下工作。

但是，由于鎖相放大器的主要目的是使頻率盡可能接近直流，因此應(yīng)選擇盡可能接近的測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)的頻率。

在文獻(xiàn)中，這種方法被稱為零差檢測(cè)、同步檢測(cè)、零中頻直接變換等。

乘法的結(jié)果如下所示：

等式 1測(cè)量信號(hào) s 和參考信號(hào) r 的乘法

結(jié)果具有低頻分量(頻率 = ω S - ω r)和高頻分量(頻率 = ω S + ω r)。

解調(diào)信號(hào)由無限脈沖響應(yīng)(IIR)RC濾波器進(jìn)行低通濾波，該濾波器以符號(hào)“?”表示。 濾波器的頻率響應(yīng)F(ω)衰減高頻分量F( ω S + ω r)，同時(shí)衰減低頻分量F(ω S - ω r) 透明地。 低通濾波器的另一個(gè)功能是進(jìn)行平均。

等式 2 信號(hào)乘法的平均值結(jié)果

低通濾波器之后的信號(hào)是解調(diào)信號(hào)X+iY，其中X和Y分別是復(fù)平面上顯示的實(shí)部和虛部。

這些分量也稱為同相分量和正交分量。

X和Y到Vs(t)的強(qiáng)度R和相位θ的轉(zhuǎn)換是通過三角函數(shù)計(jì)算完成的。

值得注意的是，測(cè)量信號(hào)與信號(hào)的RMS值匹配，因此R = A S/√2。

大多數(shù)鎖相放大器將測(cè)量的(X，Y)和(R，θ)值編碼為-10 V ~ +10 V，并將其輸出到AUX輸出端子。

鎖相放大器應(yīng)用

鎖相放大器用于各種應(yīng)用。有時(shí)，目標(biāo)是以良好的信噪比(信噪比)進(jìn)行信號(hào)測(cè)量，并且信號(hào)是通過較大的濾波器設(shè)置完成的。在這種情況下，術(shù)語(yǔ)“相位敏感檢測(cè)”是合適的。

在其它應(yīng)用中，當(dāng)信號(hào)非常弱并隱藏在噪聲中時(shí)，需要非常窄的帶濾波器設(shè)置。在這種情況下，鎖相放大器用作信號(hào)再現(xiàn)。如果信號(hào)以高頻(GHz或THz)調(diào)制，而使用標(biāo)準(zhǔn)方法無法測(cè)量，則可以將其乘以鎖相放大器測(cè)量頻帶的較低頻率。

此外，當(dāng)測(cè)量微小的、隱藏在1/f噪聲、電源噪聲或慢漂移中，并在穩(wěn)定或極低頻率下波動(dòng)的信號(hào)時(shí)，微弱信號(hào)可以在比噪聲源高得多的頻率下調(diào)制，并且可以使用鎖相放大器在原始頻率下有效地解調(diào)和測(cè)量。

在許多光學(xué)應(yīng)用中，斬波器、EO調(diào)制器、AO調(diào)制器等用于將信號(hào)調(diào)制為高頻。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它可以轉(zhuǎn)換為噪聲水平相對(duì)較低的頻段，這比簡(jiǎn)單地對(duì)直流信號(hào)施加低通濾波器更有效。

圖3 埋藏在噪聲中的直流信號(hào)測(cè)量示例

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