鎖相放大器是一種能夠“鎖定”在特定頻率信號上并放大它，排除其他頻率的設備。為了說明其運作原理，假設信號包含兩個頻率，S(t) = A1sin(ω1t+φ) + A2sin(ω2t)。在鎖相放大器中，信號與參考函數(shù)R(t) = sin(ωrt)相乘，并通過低通濾波器進行濾波。通過簡單的三角恒等式，可以證明

如果參考頻率ωr接近ω1，則ω1?ωr是一個低頻，將通過低通濾波器，而其他項將被濾波器拒絕。通過這種方式，鎖相放大器可以選擇接近參考頻率的頻率。如果ω1 = ωr且φ = 0，則鎖相僅僅測量ω1處的信號幅度。如果兩個頻率略有不同，它將測量它們之間的拍頻。

我們還可以確定信號相對于參考的相位。如果我們將信號乘以參考函數(shù)R1(t) = cos(ωrt)，那么我們得到Y(jié)(t) = A1sin[(ω1?ωr)t+φ]/2 + (高頻項)。如果ω1 = ωr，則Y/X = tan(φ)。有時候查看R = X 2 + Y 2 也很方便，它不依賴于信號的相位。

低通濾波器的截止頻率決定了放大器的選擇性。更常見的是參考鎖相放大器的時間常數(shù)τ = 1/(2πfc)。較長的時間常數(shù)(較小的截止頻率)更好地排除噪聲，但會減慢鎖相對信號變化的響應。較小的時間常數(shù)(較高的截止頻率)增加了響應速度，但也使信號更嘈雜。

鎖相放大器通常與調(diào)制技術(shù)結(jié)合使用以檢測非常微弱的信號。其思想是以已知頻率調(diào)制一個小信號，然后使用與該頻率同步的鎖相放大器檢測結(jié)果響應。

鎖相放大器的組成

鎖相放大器組成如圖所示。每個元素都可以使用簡單的集成電路構(gòu)建。

1、乘法器

鎖相放大器的核心是執(zhí)行輸入信號和參考信號的乘法運算的乘法器。模擬乘法器利用晶體管的非線性特性，需要更多的電路來實現(xiàn)準確的傳遞函數(shù)Vout=V1 × V2。一個例子是AD633芯片。也可以使用開關(guān)而不是模擬乘法器來實現(xiàn)鎖相放大器。通過開關(guān)，可以得到在V和-V之間交替的信號，這相當于將信號V乘以方波參考波。

2、參考信號發(fā)生器

為了生成正弦參考波，我們需要一個帶有正弦輸出的振蕩器。它可以使用任何具有正反饋的放大器來生成(類似于高音反饋)。然而，為了獲得無畸變的高質(zhì)量正弦波，需要控制振蕩器的增益。

如果我們使用開關(guān)將信號乘以方波，只需構(gòu)建一個方波振蕩器即可。一個常用的方法是使用LM555定時器芯片。

在某些情況下，參考頻率不是任意的，而是由外部參考頻率確定。在這種情況下，“鎖定”這個術(shù)語可能是最合適的，因為設備應該鎖定到特定頻率并跟蹤它，即使頻率正在改變。一種常見的方法是使用所謂的“鎖相環(huán)”(Phase-Locked-Loop)- 一個頻率被鎖定到外部參考的振蕩器。它可以使用LM565 PLL芯片來實現(xiàn)。

重要的是要考慮信號和參考之間的相位關(guān)系。如果它們恰好相位差90°，則不會有輸出!因此，最好在信號和參考之間加入一些相位調(diào)整的可能性。例如，可以使用RC延遲電路來實現(xiàn)這一點。

3、 前置放大器

前置放大器的目的是增加小輸入信號的幅度。根據(jù)輸入類型，使用不同類型的前置放大器。例如，通常使用差動放大器進行不受地線噪聲影響的差分測量。如果輸入信號是電流(例如來自光電二極管)，則通常使用電流到電壓放大器來實現(xiàn)，通常使用運放來實現(xiàn)。

4、低通濾波器

低通濾波器確定鎖相放大器的輸出帶寬，并消除在乘法過程中產(chǎn)生的參考信號的一次和二次諧波。濾波器的截止頻率必須遠低于鎖相放大器的工作頻率。低通濾波器可以使用被動元件(如RC濾波器)實現(xiàn)，也可以將R和C元件與運放一起使用。多級濾波可以提高頻率截止的陡峭度。

5、輸出放大器

在濾波器消除參考頻率及以上的信號后，剩余的電壓與我們試圖測量的信號成正比，因此會相對較小?，F(xiàn)在，我們可以放大這個信號，而不會因為大量的參考信號而使放大器過載。在這里，適用高增益放大器，可以使用1-2級運算放大器放大。

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