鎖相放大器綜述

1、題目：鎖相放大器的原理及應(yīng)用姓 名： 單 位： 學(xué) 號： 聯(lián)系方式： 摘要鎖相放大器又稱鎖定放大器是對正弦信號（含具有窄帶特點(diǎn)的調(diào)幅信號）進(jìn)行相敏檢波的放大器，它實際上是一個模擬的傅立葉變換器，在強(qiáng)噪聲下，利用有用信號的頻率值準(zhǔn)確測出有用信號的幅值。應(yīng)用在科學(xué)研究的各個領(lǐng)域中：如通訊、工業(yè)、國防、生物、海洋等。本文主要介紹了鎖相放大器原理，發(fā)展過程，基本組成，重要參數(shù)和在各方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：鎖相放大器，噪聲，傅立葉變換一、鎖相放大器的定義鎖相放大器是一種對交變信號進(jìn)行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（或者倍頻）

2、、同相的噪聲分量有響應(yīng)。因此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比。此外，鎖相放大器有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單，是弱光信號檢測的一種有效方法。鎖相放大器又稱鎖定放大器是對正弦信號（含具有窄帶特點(diǎn)的調(diào)幅信號）進(jìn)行相敏檢波的放大器，它實際上是一個模擬的傅立葉變換器，在強(qiáng)噪聲下，利用有用信號的頻率值準(zhǔn)確測出有用信號的幅值。應(yīng)用在科學(xué)研究的各個領(lǐng)域中：如通訊、工業(yè)、國防、生物、海洋等。二、鎖相放大器的歷史上世紀(jì)六十年代美國公司研制出第一臺利用模擬電路實現(xiàn)微弱正弦信號測量的鎖相放大器，使微弱信號檢測技術(shù)突破性飛越，為解決大量電子測量做出貢獻(xiàn)，在物質(zhì)表面組份分析以及表面電子能態(tài)研宄方面有重大意義

3、。自上世紀(jì)后期開始，國內(nèi)外越來越多的人開始研宄鎖相放大器，隨著科技的發(fā)展，越來越多性能優(yōu)良的鎖相放大器被研發(fā)出來，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，極大程度上推動了各個學(xué)科的發(fā)展，目前，從提高系統(tǒng)的靈敏度、減小噪聲帶寬、提高檢測精度、改善信噪比上都有了很大的進(jìn)步。近年來，數(shù)字電子技術(shù)飛速發(fā)展，鎖相放大器也在這一契機(jī)下，出現(xiàn)了模數(shù)混合的鎖相放大器與數(shù)字鎖相放大器，這在一定程度上彌補(bǔ)了由于物理器件造成的模擬鎖相放大器的缺點(diǎn)，極大改善了性能，提升了研究層次與擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。國外相較于國內(nèi)而言，起步要早一些，己研發(fā)出一系列鎖相放大器。美國公司、美國公司是行業(yè)的龍頭企業(yè)，它們所研制的模擬型：、和數(shù)字型：、均已有較成熟

4、的發(fā)展與應(yīng)用。其中公司是世界范圍內(nèi)數(shù)字鎖相放大器研制的佼佼者，該公司的產(chǎn)品在到的頻率帶寬內(nèi)可測，具有自動獲取、自動補(bǔ)償功能，具有諧波抑制功能、度的相位分辨率和大于的動態(tài)保留，時間常數(shù)位從到可調(diào)，它的數(shù)字信號處理設(shè)計使它具有很大的動態(tài)存儲，這就減少了使用帶通濾波器時帶進(jìn)的噪聲以及系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。就國內(nèi)而言，南京大學(xué)唐鴻賓等對鎖相放大器的研宄起步較早，研發(fā)出了系列鎖相放大器，該校微弱信號檢測中心順勢研發(fā)出了新一代系列鎖相放大器，在著名的唐鴻賓教授帶領(lǐng)下，該中心現(xiàn)在仍然在不斷出現(xiàn)新的研宄成果。如：能抑制同頻干擾的鎖相放大器、型鎖相放大器、虛擬鎖相放大器等。在新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)的同時，越來越多人投入到有關(guān)

5、數(shù)字鎖相算法的研究中，采樣方法中反向與正交法、累加法中四、六等分累加法與分段累加法接連出現(xiàn)，這些新的算法的出現(xiàn)，都為微弱信號檢測提供了支持與方便。三、鎖相放大器工作原理鎖相放大器簡稱是利用相關(guān)原理中的互相關(guān)的原理設(shè)計的一種可用于微弱信號檢測的設(shè)備它是一種可對信號進(jìn)行相敏檢波的放大器。在測量中，噪聲是人們不喜歡見到的干擾信號，其中對儀器設(shè)備影響較大的是白噪聲以及噪聲。系統(tǒng)中噪聲的出現(xiàn)會對有用信號造成不利影響，常使有用信號被其覆蓋。為了降低影響，通常會采用窄帶濾波器去增大信號的。但是，濾波器也有局限性：值即中心頻率與通帶寬度的比值受濾波器硬件部分等的限制，這影響到它不能更高層次的提取有用信號、濾除

6、噪聲。鎖相放大器是利用相關(guān)原理設(shè)計而成，將乘法器與積分器連接在同一條通路上，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，去除噪聲，可以大大提高抑制噪聲的能力。而這些，如果是采用帶通濾波器，則可能產(chǎn)生較大測量誤差，直接后果就是把有用信號誤當(dāng)成噪聲濾除了。通過之前的分析知道系統(tǒng)受到噪聲中低頻段部分的影響，因此可以利用斬波技術(shù)，將易受影響的部分變成高頻交流信號，從而降低系統(tǒng)受低頻部分的影響程度鎖相放大器主要利用了參考信號與被測信號同頻、同相的關(guān)系，也就是通常指的同步，它只對被測信號中的某一部分有響應(yīng)，因此，就無所謂頻率穩(wěn)定與否。研究表明，鎖相放大器使信噪比提高倍數(shù)在級上，換算成信噪比是以上，能在比有用信號強(qiáng)千倍的噪聲中將有用信號

7、提取出來，可以使值提高百萬倍。這些都顯示了利用鎖相放大器進(jìn)行檢測系統(tǒng)設(shè)計能使系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如它可以較強(qiáng)的抑制噪聲?，F(xiàn)在的技術(shù)日新月異，鎖相放大器的性能更加強(qiáng)大：比如新型的雙相數(shù)字鎖相放大器、多通道鎖相放大器、精密鎖相放大器等。它們有極高的放大倍數(shù)和增益，且增益的精度高。目前，鎖相放大器的核心器件模擬相敏檢波器正被數(shù)字信號處理器）所取代，這進(jìn)一步地提升了它的性能由此可見，鎖相放大器有許多優(yōu)點(diǎn)，如良好的抗噪性能與很高的檢測靈敏度。對于鎖相放大器，在通頻帶非常窄的范圍內(nèi)同樣能實現(xiàn)檢測功能，它是把交流信號放大并將它變成相應(yīng)的直流信號進(jìn)行輸出。檢測的實現(xiàn)實際上就是在待測信號中找到與參考信號同步的信號

8、并將它放大，最終實現(xiàn)檢測有用信號的功能，。因此，稱這種儀器為鎖相檢測儀和同步檢測儀也許更加形象。但它的學(xué)名仍叫鎖相放大器。目前，市面上常用的鎖相放大器有模擬的和數(shù)字的兩類，通過對它們之間進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：前者具有起步早、速度快、參數(shù)穩(wěn)定性和靈活性差等特點(diǎn)，而后者是隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的，它常用高速對信號進(jìn)行高速采樣，因此這對微處理器有很高的要求。四、鎖相放大器的構(gòu)成圖為典型鎖相放大器的組成：相關(guān)器、信號通道、參考通道。有用信號常常十分微弱，同時存在強(qiáng)的噪聲。圖4-1典型的鎖相放大器原理1) 信號通道信號輸入后先經(jīng)過信號通道，它是由前置放大器、濾波與衰減功能的元器件、放大器等各部分組成，如圖中。

9、它起到將輸入信號放大，為后面的相關(guān)器工作提供方便的作用。與此同時，濾波器工作將系統(tǒng)中的干擾信號濾掉，因此，信號通道有低噪聲的特點(diǎn)。將前置放大器作為信號通道中的第一個部分，主要考慮到了輸入信號很小，是、級甚至更加微弱，那么輸入后首要任務(wù)是將輸入信號進(jìn)行放大，它的要求是往往需要高輸入阻抗，低輸出阻抗以及較高的電壓增益。2) 參考信號互相關(guān)接收兩種信號：分別是被測信號與參考信號。參考輸入信號首先經(jīng)過參考通道分別經(jīng)過觸發(fā)電路、頻率變換電路、相移電路、方波驅(qū)動電路后以方波信號形式輸出。輸入信號與參考信號是同時分別送入到信號通道與參考通道，因此，這兩部分的輸出也是同步的。參考信號的來源有兩類：一種是來自儀

10、器內(nèi)部，另一種是來自外部，后者是主要來源。參考信號的種類繁多，如正弦波、方波、三角波等各種有規(guī)律的周期信號都可將其作為參考信號。3) 相關(guān)器相關(guān)器的作用是對被測信號與參考信號進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算。它常由乘法器和積分器組成。它有穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍大、線性好等優(yōu)點(diǎn)，這使得相關(guān)器的適用范圍廣。鎖相放大器通常在輸入信號為正弦信號或方波信號的條件下使用。當(dāng)方波信號作為輸入信號時，輸入到參考信道的參考信號是受限制的（與輸入信號同步的方波）。在相關(guān)檢測中相敏檢波器是核心器件，然后利用它實現(xiàn)對信號進(jìn)行與的檢測。相關(guān)器中的器件將經(jīng)信號通道與參考通道輸出的兩路信號依次進(jìn)碩士學(xué)位論文鎖相放大器工作原理行相乘運(yùn)算與積分

11、運(yùn)算。相關(guān)器的等效噪聲帶寬是由積分器的時間常數(shù)決定的，在理想分析下，積分時間常取為無限大，積分時間越長，抑制噪聲和干擾的能力就越強(qiáng)，但這畢竟不是現(xiàn)實，不存在出現(xiàn)無限大的取值，積分時間存在著上限與下限。在實際應(yīng)用中，時間常數(shù)的選取是由被測信號變化的響應(yīng)時間以及系統(tǒng)抑制噪聲的要求共同確定的。相關(guān)檢測的方法能減小等效噪聲帶寬，能增大等效值，最終達(dá)到增大信噪比的目的。五、鎖相放大器的重要參數(shù)影響鎖相放大器工作性能的一些參數(shù)有1) 帶寬鎖相放大器的決定因素的是帶寬,因為在實際測量中是無法完全濾去十分接近參考頻率的噪音信號,所以帶寬成了影響信號檢測靈敏度的重要因素?，F(xiàn)在可以提供檢測帶寬可以達(dá)到。2) 參考

12、頻率鎖相放大器需要一個參考頻率。通常是用振蕩器或函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的信號驅(qū)動實驗,用鎖相放大器檢測該信號在參考頻率的響應(yīng)。鎖相放大器用PLL產(chǎn)生參考信號。如果用外部參考信號,鎖相放大器中的就把內(nèi)部參考振蕩器的相位鎖定,產(chǎn)生一個固定相移的正弦信號。因為可以跟蹤外部頻率,所以外部頻率的變化不會影響測量。3) 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)決定選頻特性,其倒數(shù)稱為相對帶寬,也就是增益衰減為的兩個截止頻率之間的帶寬。通過設(shè)定時間常數(shù)可以調(diào)整濾波器的帶寬。而時間常數(shù)尤,其中是信號增益衰減為時的頻率。它可以反應(yīng)輸出響應(yīng)的速度和輸出信號的平滑度。4) 動態(tài)延續(xù)量動態(tài)延續(xù)量表示的是所能接受的最大噪音信號與被測量信號的增益之比在

13、這個限度內(nèi)的信號不會帶來輸出信號的過載。為了增加這個比率,輸入信號必須很小以防止過載,但是實際情況不允許將這個值變得很高,因為和直流放大器都有一些偏移,如果它們的增益過大,會導(dǎo)致嚴(yán)重的測量誤差。為此可以通過改變時間常數(shù)來進(jìn)行抑制。六、鎖相放大器的應(yīng)用鎖相放大器作為產(chǎn)品問世幾十年來,在聲、光、電、磁、物理、化學(xué)、天文、地學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中得到極為廣泛的應(yīng)用。在科學(xué)技術(shù)范圍內(nèi)己有二百多個方面得到了極好的應(yīng)用,推動了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,它己成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的常備儀器,是微弱信號檢測中應(yīng)用十分廣泛的儀器。1) 鎖相放大器在電池內(nèi)阻測量中的應(yīng)用采用鎖相放大技術(shù)可以有效地抑制干擾和噪聲,

14、使得內(nèi)阻的測量變的非常精確,且測量速度快、成本低由于它無需放電,施加的交流電流也很小,可以實現(xiàn)完全的在線檢測管理,避免了對設(shè)備運(yùn)行安全性的影響。因此,用鎖相放大器實現(xiàn)電池內(nèi)阻在線測量將有廣泛的應(yīng)用前景。2) 鎖相放大器在微波特性研究中的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,微波技術(shù)和微波理論有了長足的發(fā)展。盡管微波輻射對人體有熱效應(yīng)和生物效應(yīng),但在加強(qiáng)安全防護(hù)后,微波有著更多的優(yōu)點(diǎn),與其他電磁波相比,波長短、頻率高、頻帶寬、穿透性高、方向性強(qiáng)、量子特性等,所有這些使得其廣泛用于通信系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng),此外,已經(jīng)深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療事業(yè)。因此,微波特性研究己成為一門被人重視的學(xué)科。在傳統(tǒng)微波光特性研究的基礎(chǔ)上，可以用兩臺微波分光儀和一臺微弱信號檢測儀鎖定放大器來研究微波的傳輸特性。采用型三厘米固態(tài)信號發(fā)生器產(chǎn)生微波信號,電源電壓采用方波調(diào)制,調(diào)制電壓輸出電阻分壓作為鎖定放大器的參考信號。微波信號由發(fā)射天線發(fā)射,接收天線接收后經(jīng)檢波器檢波輸給鎖定放大器作為待測信號,改變接收天線和發(fā)射天線的距離和角度,觀察鎖定放大器輸出電壓的變化。采用鎖定放大器取代測量放大器和選頻放大器是天線方向圖測量的一大進(jìn)步,保證了測量系統(tǒng)的低噪聲性能和高靈敏度。3) 鎖定放大器在熱敏電阻溫度特性的精確測量中的應(yīng)用熱敏電阻也稱溫度傳感器,是利用半導(dǎo)體的電阻阻值隨溫度顯著變一特性制成的一種熱敏元件,它己廣泛的用于