(完整版)鎖相放大器的工作原理

1、鎖相放大器的工作原理一.什么是鎖相放大器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）、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。鎖相放大器實物圖二.鎖相放大器的構(gòu)成鎖相放大器采用在無線電電路中已經(jīng)非常成熟的外差式振蕩技術(shù)，把被測量的信號通過頻率變換的方式轉(zhuǎn)變成為直流。在外差式振蕩技術(shù)中被稱為本地振蕩號,Q'號,信號QLocal Oscillation）的、用于

2、做乘法運(yùn)算的信號，鎖相放大器中被稱為參照信 是從外面輸入的。鎖相放大器能夠（從被測量信號中）檢測出與這個參照 頻率相同的分量。在被測量的信號里所包含的各種信號分量中，只有與參照信號頻率相同的那個分量才會被轉(zhuǎn)換成為直流，因而才能夠通過低通濾波器（LPF）其他頻率的分量因為被轉(zhuǎn)換成為頻率不等于零的交流信號，所以被低通濾波器LPF）濾除。在頻率域中，如下圖所示。相關(guān)檢被器呵誹肛記1!待測ri爭老通道Vt（t）參孝借號根移鎖相放大器的基本組成三.鎖相放大器的應(yīng)用鎖相放大器可用于檢測到在雜噪信號中被埋沒的微弱的信號。采用選頻放大 技術(shù)，使放大器的中心頻率f 0與待測信號頻率相同，從而對噪聲進(jìn)行抑制，但

3、此法存在中心頻度不穩(wěn)、帶寬不能太窄及對等測信號缺點(diǎn)。后來發(fā)展了鎖相放大 技術(shù)。它利用等測信號和參與信號的相互關(guān)檢測原理實現(xiàn)對信號的窄帶化處理， 能有效的抑制噪聲，實現(xiàn)對信號的檢測和跟蹤。目前，鎖相放大技術(shù)已廣泛地用 于物理、化學(xué)、生物、電訊、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。應(yīng)用一：用于測量現(xiàn)場塵粒濃度。塵粒濃度測量儀采用光電收發(fā)對稱式探測 頭，能夠?qū)囟?、振動、器件老化等因素進(jìn)行抑制。光信號在煙道中的衰減與煙 道中塵粒濃度關(guān)系遵從朗伯-比爾定律。當(dāng)煙道內(nèi)塵粒濃度增大到一定程度，使 得光信號大幅衰減，環(huán)境雜散光等成為不可忽視的噪聲信號。應(yīng)用二：用于紅外線溫度傳感器的低溫范圍拓展。AAAA數(shù)字JUUUI _全垃CO,

4、相轄校傳感料紅外探測器易受雜散光，環(huán)境輻射，內(nèi)部噪聲等影響，尤其是低溫時熱輻射信號 微弱，信噪比較低，信號將淹沒在噪聲中，這就限制了紅外溫度傳感器的應(yīng)用。 鎖相放大器可以將微弱的熱輻射信號噪聲中檢測出來， 從而拓展了紅外線溫度傳 感器在低溫范圍的應(yīng)用。應(yīng)用三：相敏檢波器組成的鎖相環(huán)在電力系統(tǒng)同步諧波檢測中的應(yīng)用。紅外探測器易受雜散光，環(huán)境輻射，內(nèi)部噪聲等影響，尤其是低溫時熱輻射信號微弱， 信噪比較低，信號將淹沒在噪聲中，這就限制了紅外溫度傳感器的應(yīng)用四鎖相放大器的工作原理鎖相放大器是以相干檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，利用參考信號頻率與輸入輸入信號 頻率相關(guān)，與噪聲信號不相關(guān)，從而從較強(qiáng)的噪聲中提取出有用信

5、號，使得測 量精度大大提高。所謂相關(guān)，是指兩個函數(shù)不相關(guān)（彼此獨(dú)立）；如果它們的 乘積對時間求平均（積分）為零，剛表明這兩個函數(shù)的關(guān)系又可分為自相關(guān)和 互相關(guān)兩種。由于互相關(guān)檢測抗干擾能力強(qiáng)，因此在微弱信號檢測中大都采用 互相關(guān)檢測原理。鎖相放大器原理圖相敏檢測器是由乘法器和積分器組成，其中乘法器一般采用開關(guān)乘法器，積 分器通常由低通濾波器組成，圖2給出相敏檢測器的構(gòu)成原理圖。相敏檢測器原理圖圖2設(shè)待測信號Vs tVsi t n tVsCOSst snt，其中Vsi(t)為待測信號中的有效信號,n t為噪聲。參考信號V tVrcosrtr，則經(jīng)乘法器的輸出信號為ViVs t Vr t，積分器的

6、輸出信號Vo為:= lim T Vsi t Vr t dt T 2T T1 T limVs1 t ntVr t dtT 2T TrTTVsi t n t dt Rsr Rrn上式中RsrR rn分別是待測有效信號與參考信號及參考信號與噪聲之間的相關(guān)函數(shù)，對于Rm 項，由于噪聲的頻率和相位都是隨機(jī)量，可以認(rèn)為參考信號與噪聲互相獨(dú)立，它的相關(guān)函數(shù)Rm 為零：即經(jīng)過長時間的積分，Rrn項為零，實際上積分時間不可能無限長，也就是說實際計算中Rm 不可能為零,它表現(xiàn)為剩余噪聲，但噪聲對測量結(jié)果的影響已經(jīng)大大降低，對于Rsr項為:Rsrlim T Vs1 t Vr t dtT 2T T s1 r=Timi

7、2T1VsVrcos2 s r畀Vrcossdts r及差由上式可知，積分內(nèi)的兩項是待測有效信號與參考信號的和頻頻s r相關(guān)，當(dāng)sr時，且噪聲相關(guān)函數(shù)Rrn 為零時，積分器輸出的信號VO可表示為：Vo VsVrcos式中K為低通濾波器的傳遞系數(shù)，為待測信號與參考信號的相位差，當(dāng)待測信號與參考信號同頻率時，相敏檢測器輸出的信號與待測有效信號的幅度Vs有關(guān),也與待測信號與參考信號的相位差 有關(guān)，調(diào)整參考信號的相位r，當(dāng)r= s時， 相敏檢測器的輸出信號與待測信號的幅度成正比?？傊捎谳斎胄盘朧s t中的噪聲n t與參考信號不相關(guān)，經(jīng)積分器積分后，噪聲得到了很好的抑制，而有 效信號得到了放大，從而

8、提高了測量的精度和信噪比。采樣率（也稱為采樣速度或者采樣頻率）定義了每秒從連續(xù)信號中提取并組成離 散信號的采樣個數(shù)，它用赫茲（Hz）來表示。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期或者 叫作采樣時間，它是采樣之間的時間間隔。注意不要將采樣率與位速相混淆。采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器，對于非周期性采樣的采樣器沒有規(guī)則 限制。五鎖相放大器在本實驗中的應(yīng)用在時間零點(diǎn)之前，在一千赫茲下，鎖相放大器得到的信號包括兩個方面：lb（背 景雜散光），ln（噪聲，從光探測器，鎖相放大器，探測光等。鎖相放大器可以從 中檢測出來頻率為1000赫茲的探測光。而得到的雜散光噪聲等信息極其微弱， 可以忽略不計。在時間零點(diǎn)之后，在220赫茲下鎖相放大器的得到的信號包括三個方面：Is （信號光強(qiáng)度），Ib（背景雜散光），|n（噪聲）；同理，鎖相放大器可以從中檢測出 來頻率為