锁相放大器基础结构原理介绍

在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱信号。通常的方法是采用选频放大技术，使放大器的中心频率与待测信号频率相同，从非线性器件直接产生的或外部引入的（干扰等）众多频率分量中间取出有用分量，滤除其它无用分量。但此方法存在中心频率不稳定、带宽不能太窄及对信号缺乏跟踪能力等缺点。

        锁相放大器（Lock-in amplifier，LIA）自问世以来，在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，它能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高,在科学研究的各个领域得到了广泛的应用。它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪^[10]。因此，学生掌握锁相放大技术的原理与应用具有重要的意义。

锁相放大器的基本结构如图所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器（PSD）和低通滤波器（LPF）等。 

 

        信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的平台，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。

        参考通道对参考输入进行放大和衰减，以适应相敏检测器对幅度的要求。参考通道的另一个重要功能是对参考输入进行移相处理，以使各种不同的相移信号的检测结果达到最佳。

锁相放大器的核心部件是PSD，它以参考信号r(t)为基准，对有用信号x(t)进行相敏检测，从而实现频谱迁移过程。将x(t)的频谱由ω=ω₀处，再经LPF滤除噪声，输出直流信号，其幅度与两路输入信号幅度及它们的相位有关。其输出u₀(t)对 x(t)的幅度和相位都敏感，这样就达到了既鉴幅又鉴相的目的。因为LPF的频带可以做得很窄，所以可使锁相放大器达到较大的SNIR。下图为不同相位时相敏检测器的输出波形:

        不同相位时相敏检测器的波形

        当两输入信号的振幅一定时，相敏检波器的输出与输入信号的相位差的余弦成正比。两同相信号检波后输出最大；而反相时为负最大；相差90⁰或270⁰时为零。相敏检波器的原理比较简单，它的输出信号  是输入信号  与参考信号  的乘积。

              

式中：  为被测信号频率；  为随机噪声频率。通过PSD后，输出

              

            

加低通滤波器，其输出

              

若  大于低通滤波器截止带宽，后一项不通过低通滤波器输出；反之输出。

实际电路中，常采用  的方波作参考信号，设  ，则参考信号的傅立叶级数表示为：

式中  为方波的基波频率。

若信号为：  ，则

经LPF的滤波作用，n＞１的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩下n=1的差频项为： 

最终将输出信号作为积分时间无限长的积分器的输入，完成互相关函数的求解。