鎖相放大器的應用盤點

　　鎖相放大器簡介

　　鎖相放大器是一種對交變信號進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係的參考信號作為比較基準，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。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（含具有窄帶特點的調幅信號）進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，在強噪聲下，利用有用信號的頻率值準確測出有用信號的幅值。應用在科學研究的各個領域中：如通訊、工業、國防、生物、海洋等。

　　

　　鎖相放大器的工作原理

　　1、相關檢測及相關檢測器。所謂相關，是指兩個函數不相關（彼此獨立）；如果它們的乘積對時間求平均（積分）為零，剛表明這兩個函數的關係又可分為自相關和互相關兩種。由於互相關檢測抗幹擾能力強，因此在微弱信號檢測中大都採用互相關檢測原理。 如果f1（t）和f2（t-τ）為兩個功率有限信號，剛可定義它們的互相關函數為

　　

　　令f1（t）=V1（t）+n1（t），f2（t）=V1（t）+n2（t），其中n1（t）和n2（t）分別代表與待測信號V1（t）及參考信號V2（t）混在一起的噪聲，則式（3.1.1）可寫成

　　

　　式中Rsr（τ），Rr2（τ），Rr1（τ），R12（τ）分別是兩信號之間，信號對噪聲及噪聲之間的函數。由 於噪聲的頻率和相位都是隨機量，他們的偶爾出現可用長時間積分使它不影響信號的輸出。所以，可認為信號和噪聲、噪聲和噪聲之間是互相獨立的，他們的互相關 函數為零。於是式（3.1.2）可寫成

　　

　　上式表明，對兩個混有噪聲的功率有限信號進行相乘和積分處理（即相關檢測）後，可將信號從噪聲中檢出，噪聲被抑制，不影響輸出。

　　2、鎖相放大器的基本組成。目前鎖相放大器類型很多，但其基本組成只有 三大部分，即信號通道、參考通道及相關檢測器（見下圖）。

　　

　　輸入的交流待測信號與噪聲一起進入信號通道，經低噪聲前置放大器放大再通過高低通濾波，使噪聲受到初步抑制，然後送入相敏檢波器PSD，以免PSD出現過載。

　　參考信號進入參考通道後，一般也要經過放大、整形、移相等處理後再送入PSD與待測信號進行相關檢測，可以通過調節參考通道的移相器使參考信號對輸入信號 之相位改變，使參考信號與輸入信號同相即φ=0時，相位被鎖定，從而抑制了不相干的噪聲信號。有些鎖相放大器的參考通道中設置有跟蹤電路，以保證在儀器的 工作範圍內使參考信號與輸入信號保持所需的相移值。

　　鎖相放大器的應用盤點

　　1、鎖相放大器在溫度傳感器校準系統中的應用

　　在瞬態溫度測量中，溫度隨時間迅速變化，由於測溫傳感器感溫件的熱慣性和有限熱傳導，測出的溫度與實際溫度存在差別，這種差別即為動態響應誤差。為了儘量減少這類系統誤差，需對測溫傳感器進行動、靜態校準。校準裝置由於存在電源噪聲、輻射噪聲、震動噪聲及回饋控制噪聲等的影響，低溫下系統的微弱信號將被噪聲淹沒，無法分辨有效的信號，使系統無法在低溫範圍對溫度傳感器校準。在系統中加入鎖相放大器，利用噪聲與參考信號不相關，而湮沒於噪聲當中的微弱信號與參考信號有著極高的相關性的特點，從而改善了系統的信噪比，拓寬了校準系統的溫度下限。

　　

　　在該系統中。由於紅外探測器的頻率響應特性優於溫度傳感器，因此可以紅外探測器所得曲線作為真值來校準溫度傳感器的頻率響應並獲取系統誤差的修正值，但紅外探測器易受雜散光、環境輻射、內部噪聲等影響，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，這就限制了校準系統在低溫時的應用。應用了鎖相放大器的溫度傳感器校準系統，鎖

　　相放大器的參考信號由雷射器的控制脈衝信號提供，它與紅外探測器應探測的熱輻射信號同頻率。紅外探測器探測到的信號和噪聲經鎖相放大器選頻放大後，噪聲得到抑制，信號被放大。通過實驗波形，可以發現紅外探測器輸出信號得到了明顯的改善。校準系統溫度下限的拓展，系統信噪比的提高，在溫度校準系統中，採用高功率脈衝可調的CO2 雷射器為階躍溫度發生裝置，對溫度傳感器進行加熱提供一個溫度激勵信號來校準溫度傳感器。加入SR830 雙相鎖相放大器以後，拓寬了溫度傳感器校準的溫度範圍，能夠在低至室溫範圍內對溫度傳感器校準;鎖相放大器優良的選頻放大作用極大地提高了系統的信噪比。

　　2、基於Labview的鎖相放大器的應用

　　A）聲音定位系統

　　如下圖所示，測量儀是由三個位於等腰直角三角形的聲音接受器組成，測量範圍為以OA為Y軸，OB為X軸的直角坐標系的第一象限區域（三角形的右上方）。設S點為聲源，由於聲源到三個接收器的距離不同，其發出的聲波到達三個接收器的時間不同，所測得的相位差也不同，據此計算出聲源的位置。如果使聲源S發出的聲音為一已知固定頻率，便可利用鎖相放大器有效克服噪聲，檢測到三個信號，並較為精確地求出其兩兩之間的相位差。

　　

　　B）PN結電容的測量

　　PN結外加電壓時，勢壘區的空間電荷數量將隨外加電壓變化，這種由勢壘區的點和變化引起的電容是勢壘電容CT。PN結的電容是隨外加電壓的變化而變化的，利用這一特性可製作一隻變容二極體，在二極體上面加大小可調的反向直流偏壓V0，同時加正弦震蕩的交流電壓，並使其與一個大電容共同分擔這個交流電壓。將分壓V輸入鎖相放大器，可測得這一微小信號的振幅等信息。改變直流電壓值，可得到V- V0曲線。再利用已知電容替換PN結，保持V不變的情況下可對曲線進行定標，從而得到不同電壓下的勢壘電容CT。

　　C） 光速測量

　　以CG-Ⅱ型光速測量儀為例，利用光拍頻法測量光速。儀器用一個超高頻功率信號源產生頻率為F的信號輸入聲光移頻器，在聲光介質中產生駐波聲場。雷射通過介質光柵發生衍射，其零級衍射光中含有拍頻為Δf=2F的成分。利用半反射鏡將這束光分為近程和遠程兩路，並利用斬波器使每一時刻只有一路中有光經過。傳播一段距離後讓兩束光光路重合，利用光電二極體收集其光強信號，可利用鎖相放大器測量此信號。調節兩束光的光程差，當光程差等於一個拍頻波長時，兩正弦波的相位差為2π，可由鎖相放大器測得。而c=Δf×Λ=2F×Λ，由此可得到光速。

　　3、鎖相放大器的其他應用

　　A）SR850鎖相放大器在雷射散射測量中的應用

　　目標雷射散射特性的研究對雷射雷達目標探測具有重要的指導意義，雷射散射自動測量系統可為建立雷射雷達散射截面（LRCS）的縮比模型提供測試條件，並驗證理論預估。由於SR850鎖相放大器（LIA）具有高動態存儲、低漂移、低失真、0.001°的相位分辨力等卓越性能，可有效滿足微弱信號的檢測需要。通過編程實現PC機與SR850之間控制命令以及數據的傳輸，提高了系統的自動化程度。對典型樣片進行了雷射雷達散射截面測量，並給出了數據處理方法和系統性能分析。結果表明，SR850鎖相放大器的使用提高了系統測量的精度及動態範圍。

　　B）鎖相放大器中的高靈敏度微弱光電信號檢測技術

　　鎖相放大器在微弱光電信號檢測中有著廣泛的應用。在鎖相放大器研製中應用的高靈敏度微弱信號檢測技術和高動態儲備、高穩定噪聲抑制濾波技術，採用浮地隔離地迴路幹擾、低噪聲前置放大、電源及二次諧波陷波、自動跟蹤帶通濾波、窄帶低通濾波等技術措施。這些技術措施能有效地抑制信號輸入通道前端噪聲，阻隔地迴路的幹擾，提高系統的靈敏度和過載能力，壓縮噪聲帶寬，改善信噪比，實現nV 級微弱光電信號檢測

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