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什么是锁相放大器


锁相放大器是用于微弱信号检测的装置,微弱信号常淹没在各种噪声中,锁相放大器可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量。锁相放大器是基于互相干方法的微弱信号检测。

       锁相放大器是用于微弱信号检测的装置,微弱信号常淹没在各种噪声中,锁相放大器可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量。锁相放大器是基于互相干方法的微弱信号检测手段,其核心是相敏检测技术,利用与待测信号有相同频率和固定相位关系的参考信号作为基准,滤掉与其频率不同的噪声,从而提取出有用信号成分。
       对微弱信号的最基本处理是放大,传统的放大处理在放大信号的同时,也放大了噪声,而且在不进行带限或滤波处理的情况下,任何放大操作都将使得信号信噪比下降。因此,必须先采用滤波手段提纯信号,提高信噪比,以实现对微弱信号的准确测量。
       假设要放大的信号是一个 10 nV,10 kHZ正弦波信号,好的低噪声放大器有大概5nV/√Hz的输入噪声。考虑下列情况:
      ①  放大器的带宽为 100 kHz,增益为1000,则放大后信号为 10 ?V (10 nV x 1000),宽频噪音为 1.6 mV(5 nV/√Hz x √100 kHz x 1000)。
       没有办法测量到该输出信号。
      ②  在放大器后加一个理想的带通滤波器,其品质因子Q=100,中心频率在10 kHz,则所有在100 Hz(10 kHz/Q) 带宽内的信号都会被检测到。此时输出信号仍为10 ?V,而滤波器通带内的噪声大小为50 ?V (5 nV/√Hz x √100 Hz x 1000)。
       输出噪声仍比输出信号大很多,没办法进行测量。
      ③  在放大器后加一个相敏检测器(PSD)。PSD可在带宽仅为0.01 Hz的情况下检测到10 kHz的信号。在此带宽下,输出信号仍为10 ?V,噪声只有0.5 ?V (5 nV/√Hz x √.01 Hz x 1000)。
       信噪比为20,可以对信号进行准确的测量。

相敏检测器

       相敏检测器( PSD)相当于一个带宽极窄的带通滤波器,基本模块包含一个将输入信号与参考信号相乘的乘法模块和一个对相乘结果进行低通滤波的滤波器模块。有时 PSD 也特指乘法模块,不包含滤波器模块。如图 1 所示。

      SI(t)是掺杂了噪声的时域输入信号, SR(t) 为与输入待测信号有固定频率关系的参考信号。PSD 结合待测信号通道和参考信号通道,即可以形成一路完整的锁相放大器功能架构,称为单相型锁相放大器。其结构原理图如图 2 所示。

      信号通道进入 PSD 模块的信号可定义为:  SI(t) = AI sin(wt+φ) + B(t)

      其中w是待测信号频率,  AI sin(wt+φ) 是待测信号, B(t)是总噪声。

      若参考信号通道输出的标准参考信号定义为: SR0(t) = AR sin(w0t + Θ)  

      两路信号同时输入 PSD 模块进行乘法操作,得到的输出为:

      Spsd0 =SI(t)SR0(t) = AIAR sin(wt + φ) sin(w0t + Θ) + B(t)AR sin(w0t + Θ)

                =0.5 AIAR cos([w - w0]t+φ ? Θ) ?0.5 AIAR cos([w + w0]t+φ + Θ)+ B(t)AR sin(w0t + Θ)

      常令w0= w,即参考信号与待测信号的频率相等,此时参考信号通道输出的标准参考信号为:

      SR(t) = AR sin(wt + Θ)       

      输出为:

      Spsd =SI(t)SR(t) = AIAR sin(wt + φ) sin(wt + Θ) + B(t)AR sin(wt + Θ)

               =0.5 A