(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(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器。它利用和被測(cè)信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)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(cè)信噪比。此外，鎖相放大器有很高的檢測(cè)靈敏度，信號(hào)處理比較簡(jiǎn)單,是弱光信號(hào)檢測(cè)的一種有效方法。鎖相放大器實(shí)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(cè)量的信號(hào)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（LocalOscillation）的、用于做乘法運(yùn)算的信號(hào)，鎖相放大器中被稱為參照

2、信號(hào)，是從外面輸入的。鎖相放大器能夠（從被測(cè)量信號(hào)中）檢測(cè)出與這個(gè)參照信號(hào)頻率相同的分量。在被測(cè)量的信號(hào)里所包含的各種信號(hào)分量中，只有與參照信號(hào)頻率相同的那個(gè)分量才會(huì)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?yàn)楸晦D(zhuǎn)換成為頻率不等于零的交流信號(hào)，所以被低通濾波器（LPF）濾除。在頻率域中，如下圖所示。鞋考通道參瞬信號(hào)U生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(cè)到在雜噪信號(hào)中被埋沒的微弱的信號(hào)。采用選頻放大技術(shù)，使放大器的中心頻率fo與待測(cè)信號(hào)頻率相同，從而對(duì)噪聲進(jìn)行抑制，但此法存在中心頻度不穩(wěn)、帶寬不能太窄及對(duì)等測(cè)信號(hào)缺點(diǎn)。后來發(fā)展了鎖相放大技術(shù)。它

3、利用等測(cè)信號(hào)和參與信號(hào)的相互關(guān)檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的窄帶化處理，能有效的抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)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(cè)量現(xiàn)場(chǎng)塵粒濃度。塵粒濃度測(cè)量?jī)x采用光電收發(fā)對(duì)稱式探測(cè)頭，能夠?qū)囟取⒄駝?dòng)、器件老化等因素進(jìn)行抑制。光信號(hào)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(hào)大幅衰減，環(huán)境雜散光等成為不可忽視的噪聲信號(hào)。應(yīng)用二：用于紅外線溫度傳感器的低溫范圍拓展。俯敷字射頻鉉大器采罐卡校準(zhǔn)軒厳箱球血反射遴!創(chuàng)3沽I&<t感器+交祿系統(tǒng)紅外探測(cè)器易受雜散光，環(huán)境輻射，內(nèi)部噪聲

4、等影響，尤其是低溫時(shí)熱輻射信號(hào)微弱，信噪比較低，信號(hào)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(hào)噪聲中檢測(cè)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(cè)中的應(yīng)用。紅外探測(cè)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(shí)熱輻射信號(hào)微弱，信噪比較低，信號(hào)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(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用參考信號(hào)頻率與輸入輸入信號(hào)頻率相關(guān)，與噪聲信號(hào)不相關(guān)，從而從較強(qiáng)的噪聲中提取出有用信號(hào)，使得測(cè)量精度大大提高。所謂相關(guān)，是指兩個(gè)函數(shù)不相關(guān)（彼此獨(dú)立

5、）；如果它們的乘積對(duì)時(shí)間求平均（積分）為零，剛表明這兩個(gè)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(cè)抗干擾能力強(qiáng)，因此在微弱信號(hào)檢測(cè)中大都采用互相關(guān)檢測(cè)原理。鎖相放大器原理圖相敏檢測(cè)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(cè)器的構(gòu)成原理圖。圖2相敏檢測(cè)器原理圖設(shè)待測(cè)信號(hào)VG)二VG)+n(t)二VcosCot+9)+n(t)，其中V(t)為待測(cè)信ss1ssss1號(hào)中的有效信號(hào)，nG)為噪聲。參考信號(hào)V(t)=Vcos6t+9)，則經(jīng)乘法器的輸出信號(hào)為V=V(t)VG),rrrrisr積分器的輸出信號(hào)V為：OV二lim1rfTV(

6、t)+nQ.V(thtOt*2TL_ts1r=lim1卩TV0VGht+JTVCnGXt二RG)+RG)t2TItsirrrsisrrnTTg厶丄TT1上式中RG)、RG)分別是待測(cè)有效信號(hào)與參考信號(hào)及參考信號(hào)與噪聲之srrn間的相關(guān)函數(shù)，對(duì)于RG)項(xiàng)，由于噪聲的頻率和相位都是隨機(jī)量，可以認(rèn)為參rn考信號(hào)與噪聲互相獨(dú)立，它的相關(guān)函數(shù)RG)為零：即經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積分，RG)rnrn項(xiàng)為零，實(shí)際上積分時(shí)間不可能無限長(zhǎng)，也就是說實(shí)際計(jì)算中RG)不可能為零，rn它表現(xiàn)為剩余噪聲，但噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響已經(jīng)大大降低，對(duì)于RG)項(xiàng)為：srRG)二limJ*TVG).V(thtsrTTg2TTs1rlim丄J

7、T2T!vVcos2sr6+G+申sr)-VcosKd2srs由上式可知，積分內(nèi)的兩項(xiàng)是待測(cè)有效信號(hào)與參考信號(hào)的和頻6+e）及差sr頻6-e）相關(guān)，當(dāng)e二e時(shí)，且噪聲相關(guān)函數(shù)RG）為零時(shí)，積分器輸出的srsrrn信號(hào)V可表示為:OV=VVcoseOsr式中K為低通濾波器的傳遞系數(shù)，申為待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差，當(dāng)待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)同頻率時(shí)，相敏檢測(cè)器輸出的信號(hào)與待測(cè)有效信號(hào)的幅度V有關(guān),s也與待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差申有關(guān)，調(diào)整參考信號(hào)的相位e，當(dāng)e=e時(shí)，rrs相敏檢測(cè)器的輸出信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的幅度成正比?？傊?，由于輸入信號(hào)V（t）中s的噪聲n（t）與參考信號(hào)不相關(guān)，經(jīng)積分器積分后，噪聲得

8、到了很好的抑制，而有效信號(hào)得到了放大，從而提高了測(cè)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(hào)中提取并組成離散信號(hào)的采樣個(gè)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(shí)間，它是采樣之間的時(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用在時(shí)間零點(diǎn)之前，在一千赫茲下，鎖相放大器得到的信號(hào)包括兩個(gè)方面Ib（背景雜散光）,In（噪聲，從光探測(cè)器，鎖相放大器，探測(cè)光等。鎖相放大器可以從中檢測(cè)出來頻率為1000赫茲的探測(cè)光。而得到的雜散光噪聲等信息極其微弱，可以忽略不計(jì)。在時(shí)間零點(diǎn)之后，在220赫茲下鎖相放大器的得到的信號(hào)包括三個(gè)方面：ls（信號(hào)光強(qiáng)度），lb（背景雜散光）,ln（噪聲）；同理，鎖相放大器可以從中檢