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1、第四章第四章 锁相放大器锁相放大器1.1.概述概述自从1962年，美国EG&G PARC公司制作了第一台锁相放大器(LIA)的后，微弱信号检测技术得到了突破性的发展。后来又出现了模拟锁相放大器(ALIA)和数字锁相放大器(DLIA)。对于数字锁相放大器而言，又出现基于单片机的DLIA 和基于专用DSP的DLIA。还有基于PC 的系统级模块化DLIA，这种锁相的算法是采用C，C+等语言实现的。由于整个系统运行在PC平台上，所以可以使用各种仿真软件对算法进行研究。模拟锁相放大器数字锁相放大器2.2.锁定放大器抑制噪声的基本出发点锁定放大器抑制噪声的基本出发点(1)用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移
2、到调制频率处,再进行放大,以避开1/f 噪声的不利影响；(2)利用相关器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声 与信号同频又同相的概率很小；（3）利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。频谱迁移频谱迁移3.3.锁相放大器的基本原理锁相放大器的基本原理锁相放大器是以相关检测技术为基础，利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪。它是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备，利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关，从而从噪声中提取有用信号。它而是把交流分量放大并变成相应的直把交流分量放大并变成相应的直流
3、信号输出流信号输出。是从强噪声中提取弱信号的重要手段。在国外常把这类仪器称为锁定放大器(Lock-in Amplifier)。可理解为:把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。经过调制m送入锁相放大器(t)I信号恢复(t)I 随时间缓变的信号信号输入参考信号m输出信号（与信号幅度成正比，与相对相位有关）Lock-in锁相放大器的工作过程锁相放大器的工作过程 两个具有确定频率和相位的周期性信号，它们的相关特性可以用互相关两个具有确定频率和相位的周期性信号，它们的相关特性可以用互相关函数来表达：函数来表达：互相关函数互相关函数 式中式中f f1 1(t t)和和 f f2 2(t t)为两
4、个周期信号，为两个周期信号，为两个信号之间的任意延迟时间，为两个信号之间的任意延迟时间，T T为平均积分时间（或称为时间常数）。为平均积分时间（或称为时间常数）。可以证明，只有当可以证明，只有当 f f1 1(t t)和和 f f2 2(t t)为同频信号时，才为同频信号时，才可能有较大的输出值。锁相放大器正是利用了这个特性，可能有较大的输出值。锁相放大器正是利用了这个特性，在随时间的演变过程中两个同频信号可以相互关联，而噪在随时间的演变过程中两个同频信号可以相互关联，而噪声作为随机变量与被测信号不相关联，经过长时间积分平声作为随机变量与被测信号不相关联，经过长时间积分平均后对周期性重复信号的
5、累计要比对随机噪声的累计大得均后对周期性重复信号的累计要比对随机噪声的累计大得多，从而有可能将深埋于噪声背景中的信号取出多，从而有可能将深埋于噪声背景中的信号取出，这就是，这就是相关检测方法能提高信噪比的原因相关检测方法能提高信噪比的原因。我们可以按照上式来设计一个电路，其方框图如下，我们可以按照上式来设计一个电路，其方框图如下，f f1 1(t t)和和 f f2 2(t t)为周期函数：为周期函数：相关检测方框图相关检测方框图f1(t)f2(t)延时器乘法器积分器T输出 如果两个信号的频率分别为如果两个信号的频率分别为1 1和和2 2，并记为：，并记为：S S1 1(t t)和和 S S2
6、 2(t t)的互相关函数为：的互相关函数为：相关检测的输出信号：相关检测的输出信号：两个信号频率不等的情况下，经过长时间积分平均后输出必定为零，说明两个信号频率不等的情况下，经过长时间积分平均后输出必定为零，说明频率不等的两个信号是不相关的。只有当两个信号频率完全相等频率不等的两个信号是不相关的。只有当两个信号频率完全相等（1 1=2 2）时，才有相关信号输出：时，才有相关信号输出：上式说明当输入信号与参考信号频率相等时，上式说明当输入信号与参考信号频率相等时，相关检测相关检测的输出信号与输入信号的幅度的输出信号与输入信号的幅度V V1 1(t t)成正比，还与两个信号成正比，还与两个信号的
7、相对相位的相对相位 有关有关。锁相放大器就是基于相关检测的原。锁相放大器就是基于相关检测的原理，将与参考信号同频的信号检测出来，而把与参考信号不理，将与参考信号同频的信号检测出来，而把与参考信号不同频的噪声或干扰信号抑制掉，从而提高了测量的信噪比。同频的噪声或干扰信号抑制掉，从而提高了测量的信噪比。锁相放大器采用的是外差式振荡技术，它把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。即利用锁相放大器中的信号相关原理，对两个混有噪声的周期信号进行相乘和积分处理后，将信号从噪声中检测出来，并达到通过互相关运算削弱噪声影响的目的。锁相放大器的工作原理锁相放大器的工作原理如果是一个1Hz和一个1.1Hz的
8、信号相乘，用乘法器相乘得到的结果是一个交流调制波，基频是1Hz，幅频是0.1Hz 只有与参考信号频率完全一致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏量，其他信号在输出端都是交流信号。如果在乘法器的输出端加一个低通滤波器，那么所有的交流信号分量全部被滤掉，剩下的直流分量就只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。图为典型的锁相放大器原理构成图。一般锁相放大器的组成分为三部分:信号通道、参考通道和相关器信号通道、参考通道和相关器。被检测的信号往往是很微弱的，并且伴随的噪声很大。信号通道的作用是将伴有噪声的微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤除部分干扰及噪声功能，从而扩大仪器的动态
9、范围。因此信号通道信号通道位于相关器之前，它由输入变压器、低噪声前置放大器、各种功能的有源滤波器和主放大器等组成。传统锁相放大器的构成原理传统锁相放大器的构成原理 通常锁定放大器的参考通道参考通道输出是和信号同步的对称方波或正弦波，用以驱动相关器的场效应管开关。参考通道主要由触发电路、倍频电路、相移电路、方波形成电路及驱动电路组成。参考触发信号可在仪器内部产生，也可从外部输入，大部分产品由外部输人。输入波形可以是正弦波、方波、三角波、脉冲波等各种周期信号。相关器相关器是一种完成被测信号与参考信号两者互相关函数运算的电子线路。它必须具有动态范围大、漂移小、时间常数可调、线性好、增益稳定和曲率范围
10、宽等性能。由相关函数的数学表达式可知，需要一个乘法器和积分器实现这一数学运算，从理论上讲用一个模拟乘法器和一个积分时间为无穷大的积分器，就可以把深埋在任意噪声中的微弱信号检测出来。相敏检测器（相关器）相敏检测器（相关器）是锁定放大器的核心部件，它实现了被测信号与参考信号的互相关运算。敏检测器有模拟乘法器式和电子开关式，其中电子开关式相敏检测器由于受到参考信号幅度波动的影响较小，所以得到更广泛的应用。电子开关式相敏检测器的输出等效为被测信号与幅度为1、占空比为50的方波信号r(t)的乘积。设输入信号为：根据傅立叶变换，r(t)可用三角函数的形式表示：r(t)与 相乘的结果为：式右边的第一项为差频
11、项，第二项为和频项。经过低通滤波器（LPF），所有的和频项与的差频项都被滤除，最后滤波器的输出为：说明被测信号通过相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)后，输出正比于被测信号的幅度、同时正比于参考信号与被测信号的相位差的余弦函数，此时，输出最大。适合于锁相放大器检测的信号应该是单频率的，或者说传导频谱所占宽度是较窄的，也就是要求信号所携带的检测量(信息)的变化是很缓慢的，否则检出的信息就会因丢失高额分量而畸变。在光谱测量中，经常遇到的是一种幅度随时间缓慢变化的在光谱测量中，经常遇到的是一种幅度随时间缓慢变化的连续型信号连续型信号V V1 1(t t)。在采用锁相放大器进行检测时，先要对此。
12、在采用锁相放大器进行检测时，先要对此信号进行某种调制，变换成一个与参考信号同频率的交流信号，信号进行某种调制，变换成一个与参考信号同频率的交流信号，经过锁相放大器同频相检后，将一个与经过锁相放大器同频相检后，将一个与V V1 1(t t)成正比的放大信成正比的放大信号恢复出来，而随输入信号一起携带进来的干扰噪声由于与参号恢复出来，而随输入信号一起携带进来的干扰噪声由于与参考信号频率不同都被滤除了。考信号频率不同都被滤除了。例：光谱测量过程例：光谱测量过程随时缓慢变化的连续信号随时缓慢变化的连续信号V V1 1(t)(t)经过调制经过调制V V1 1(t)sin(t)sin(m mt t+1 1
13、)经过同频参考信号解调和积分经过同频参考信号解调和积分将将V V1 1(t)(t)信号放大恢复出来信号放大恢复出来锁相放大器处理信号的过程锁相放大器处理信号的过程光源光源斩光器斩光器探测器探测器 m m参考信号参考信号Lock-in信号信号输出信号输出信号测量过程测量过程I(t t)I(t t)m 在使用过程中须注意对在使用过程中须注意对相位相位的调整，只有在某个恰当的相位的调整，只有在某个恰当的相位条件下有最大幅度的输出信号。此外，条件下有最大幅度的输出信号。此外，积分时间常数积分时间常数 T T 的选的选取也很重要，时间常数取也很重要，时间常数T T 越长，相当于低通滤波器的带宽越窄，越长
14、，相当于低通滤波器的带宽越窄，对噪声的抑制能力越强。但由于我们所测量的是一个幅度缓慢对噪声的抑制能力越强。但由于我们所测量的是一个幅度缓慢变化的信号变化的信号 V V1 1(t t)，它仍然占有一定的频带宽度，因此，低通，它仍然占有一定的频带宽度，因此，低通滤波器就需要有一定的带宽，保证该信号通过。如果时间常数滤波器就需要有一定的带宽，保证该信号通过。如果时间常数 T T 取得过长，低通滤波器带宽过窄，将会引起信号取得过长，低通滤波器带宽过窄，将会引起信号 V V1 1(t t)的的失真。失真。锁相放大器对信噪比的改善程度（输出信噪比与输入信噪比锁相放大器对信噪比的改善程度（输出信噪比与输入信
15、噪比的比例）为的比例）为式中式中B Bn n为相敏检波器前的等效噪声带宽。相敏检波器和随后的为相敏检波器前的等效噪声带宽。相敏检波器和随后的低通滤波器可以被看成一个带宽非常窄的组合滤波器，低通滤波器可以被看成一个带宽非常窄的组合滤波器，为低通滤波器的等效噪声带宽，由时间常数为低通滤波器的等效噪声带宽，由时间常数 T T 来决定。这样，来决定。这样，锁相放大器对信噪比的改善程度大致为锁相放大器对信噪比的改善程度大致为10103 310106 6倍。倍。扫描单色仪扫描单色仪聚焦透镜聚焦透镜PMTPMT高压电源高压电源记录仪记录仪锁相放大器锁相放大器参考信号参考信号信号信号斩光器斩光器NeNe灯灯光
16、谱灯电源光谱灯电源输出输出用锁相放大器对用锁相放大器对NeNe光谱进行测量光谱进行测量斩光斩光器，通常调制频率为几百赫兹器，通常调制频率为几百赫兹频率调制光谱方框图频率调制光谱方框图电光晶体电光晶体吸收样品吸收样品探测器探测器锁相放大器锁相放大器数据采集系统数据采集系统调制驱动源调制驱动源V V参考参考输入输入输出输出扫描激光扫描激光锁相锁相放大器（放大器（Lock-in amplifier)型号：型号：EG&G 5101型型 灵敏度：灵敏度：1 1 V V 补偿调节：补偿调节：1010满度信号满度信号频率：频率：5Hz 5Hz 100KHz 100KHz 时间常数：时间常数：1ms 1ms
17、30s 30s 灵敏度：灵敏度：1V1V250mV250mV；频率范围：；频率范围：5Hz5Hz100kHz100kHz；输入阻抗：输入阻抗：1M1M；输出幅度：输出幅度：1V1V，600 600 满度；满度；补偿调节：补偿调节：1010 满度信号；满度信号；参考信号：不小于参考信号：不小于200mV200mVP PP P，最大不超过，最大不超过5V5VP PP P，在在1V1VP PP P时，相位角指示绝对值最准确；时，相位角指示绝对值最准确；参考信号输入阻抗：参考信号输入阻抗：1M1M；时间常数：时间常数：1ms1ms30s 30s 可调。可调。EG&G5101EG&G5101型锁相放大器
18、的参数型锁相放大器的参数 SR830 SR830 锁相放大器锁相放大器信号输入信号输入模拟输出模拟输出参考信号参考信号正弦波输出正弦波输出A A通道显示通道显示B B通道显示通道显示参考信号显示参考信号显示SR830SR830锁相放大器锁相放大器灵敏度：灵敏度：2nV 2nV 1V 1V；测量频率：测量频率：100KHz100KHz时间常数：时间常数：1010s s 30s 30s；补偿：补偿：1010倍满度值倍满度值 输入满刻度灵敏度输入满刻度灵敏度 2nV-1V2nV-1V；输入阻抗输入阻抗 10M+25pF,AC10M+25pF,AC或或DCDC耦合；耦合；参考信号频率范围参考信号频率范
19、围 1mHz 1mHz 102kHz 102kHz；相位角度的误差相位角度的误差 11；时间常数时间常数 10s 10s 30s 30s；内置振荡器频率范围内置振荡器频率范围 1mHz 1mHz 102kHz 102kHz；调零补偿范围调零补偿范围(offset)(offset)105%105%满度值；满度值；输出扩展输出扩展 x x 和和 y y 可以被扩展可以被扩展1010至至100100倍。倍。SR830 SR830锁相放大器的主要指标锁相放大器的主要指标 根据不同的用途可分类为：根据不同的用途可分类为：1.1.正交矢量型锁定放大器正交矢量型锁定放大器同相输出：同相输出：正交输出：正交输
20、出：被测信被测信 的幅度和的幅度和相位：相位：2.2.外差式锁定放大器外差式锁定放大器避免信号频率特性改变时使得信号的频率位于带通滤波器避免信号频率特性改变时使得信号的频率位于带通滤波器的边沿，导致输出不稳定的边沿，导致输出不稳定 锁相放大器的输出信号中仍然会有剩余的噪声，主要原锁相放大器的输出信号中仍然会有剩余的噪声，主要原因是：（因是：（1 1）为了使信号不失真，低通滤波器必须要保留一）为了使信号不失真，低通滤波器必须要保留一定的带宽，这会引起一些剩余的噪声。（定的带宽，这会引起一些剩余的噪声。（2 2）在噪声成分中）在噪声成分中总是存在与参考信号频率相同的成分，这部分噪声无法去总是存在与
21、参考信号频率相同的成分，这部分噪声无法去除。（除。（3 3）参考信号尽管经过整型，可以看成无噪声的信号，）参考信号尽管经过整型，可以看成无噪声的信号，但实际上它还包含有一定比例的高次谐波的分量，导致剩但实际上它还包含有一定比例的高次谐波的分量，导致剩余的噪声。余的噪声。经过锁相放大器后的剩余噪声经过锁相放大器后的剩余噪声补偿（补偿（offsetoffset）的作用）的作用t tS S 在有测量背景的情况下，可以补偿直流本底信号，以便提高在有测量背景的情况下，可以补偿直流本底信号，以便提高测量灵敏度。测量灵敏度。为了提高测量灵敏度，一般采用没有测量本底的实验方案。为了提高测量灵敏度，一般采用没有
22、测量本底的实验方案。t tS S 速度调制光谱测量方框图速度调制光谱测量方框图入射激光入射激光放电吸收样品池放电吸收样品池光探测器光探测器放电电源放电电源f fm m锁相放大器锁相放大器f fm m信号输出信号输出参考参考 f fm m放电电极放电电极锁定放大器的三个特点：锁定放大器的三个特点：1 1）用调制器调制直流或渐变信号，再进行放大，可以避）用调制器调制直流或渐变信号，再进行放大，可以避免噪声的不利影响；免噪声的不利影响；2 2）利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频）利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；3 3）利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以）利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。定性也大大地提高。