一、什么是相敏檢測？

鎖相測量需要一個頻率參考。通常實驗會以固定頻率(來自光學切割器、振蕩器或函數(shù)發(fā)生器)激發(fā)，并且鎖相器在參考頻率下檢測實驗的響應。在下圖中，參考信號是頻率為fref的方波。這可能是來自函數(shù)發(fā)生器的同步輸出。如果使用函數(shù)發(fā)生器的正弦輸出來激發(fā)實驗，則響應可能是下面顯示的信號波形。信號為Vsig sin(ωref t + θsig)，其中ωref = 2πfref，Vsig是信號幅值。

大多數(shù)鎖相放大器都配有內置源，可以生成自己的頻率為fL的正弦波(見下面的鎖相放大器參考)。鎖相放大器的參考信號為sin(ωLt + θref)，其中ωL = 2πfL。

鎖相放大器放大輸入信號，然后使用相敏檢波器(PSD)或乘法器將其與參考信號相乘。PSD的輸出簡單地是兩個正弦波的乘積。

Vpsd = Vsig ([sin(ωrt + θsig)] × [sin(ωLt + θref)])

= 1/2 Vsig cos([ωr ? ωL]t + [θsig ? θref]) ? 1/2 Vsig cos([ωr + ωL]t + [θsig + θref])

PSD的輸出是兩個交流信號，一個是差頻率(ωr ? ωL)，另一個是和頻率(ωr + ωL)。

如果將PSD輸出通過一個低通濾波器，交流信號會被去除。剩下的會是什么?在一般情況下，什么也不剩。然而，如果ωr等于ωL，差頻率分量將是一個直流信號。在這種情況下，濾波后的PSD輸出將是Vpsd = 1/2 Vsig cos(θsig ? θref)這是一個非常不錯的信號，它是一個比例于信號幅值的直流信號。

二、窄帶檢測

現(xiàn)在假設輸入信號由信號和噪聲組成。PSD和低通濾波器只能檢測到頻率非常接近鎖定參考頻率的信號。頻率遠離參考點的噪聲信號在通過低通濾波器后會在PSD輸出中被削弱(ωnoise-ωref和ωnoise+ωref都不接近直流)。非常接近參考頻率的噪聲會導致PSD的非常低頻AC輸出(|ωnoise -ωref|很小)。它們的衰減取決于低通濾波器的帶寬和滾降。

更窄的帶寬將消除非常接近參考頻率的噪聲源，更寬的帶寬則允許這些信號通過。低通濾波器的帶寬決定了檢測帶寬。只有參考頻率處的信號會產生真正的直流輸出，并且不會受到低通濾波器的影響。這就是我們想要測量的信號。

三、鎖定參考從何而來?

我們需要使鎖相參考信號與信號頻率相同，即ωr = ωL。不僅頻率必須相同，信號之間的相位也不能隨時間而改變，否則cos(θsig - θref)將會改變，Vpsd將不再是直流信號。換句話說，鎖相參考需要與信號參考相位鎖定。

鎖相放大器使用相鎖環(huán)路(PLL)來生成參考信號。外部參考信號(在這種情況下是參考方波)提供給鎖定器。鎖相放大器中的PLL將內部參考振蕩器“鎖定”到這個外部參考信號上，產生一個帶有固定相位偏移θref的ωr參考正弦波。由于PLL主動跟蹤外部參考，外部參考頻率的變化不會影響測量結果。

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