鎖相放大器原理和結(jié)構(gòu)分析

　　鎖相放大器是一種用于測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的電子儀器。它的主要組成部分有振蕩器，混頻器和低通濾波器。它的最基本，也是最常用的功能是從被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)中測(cè)出某一頻率的信號(hào)的相位和幅值。

　　它之所以具備這樣的能力是運(yùn)用了正交性原理，將非選定頻率的信號(hào)（即噪聲）去除而選定頻率的信息得以保留。因?yàn)榫哂泻軓?qiáng)的抗噪聲能力，鎖相放大器被廣泛應(yīng)用于各種高精測(cè)量系統(tǒng)中，比如MEMS研究。這篇文章主要來(lái)看看鎖相放大器原理和結(jié)構(gòu)分析。

　　鎖相放大器原理

　　鎖相放大器采用的是外差式振蕩技術(shù)，它把被測(cè)量的信號(hào)通過(guò)頻率變換的方式轉(zhuǎn)變成為直流。即利用鎖相放大器中的信號(hào)相關(guān)原理，對(duì)兩個(gè)混有噪聲的周期信號(hào)進(jìn)行相乘和積分處理后，將信號(hào)從噪聲中檢測(cè)出來(lái)，并達(dá)到通過(guò)互相關(guān)運(yùn)算削弱噪聲影響的目的。設(shè)是伴有噪聲的周期信號(hào)，即：

　　其中，N（t）為隨機(jī)噪聲， S（t）為有用信號(hào)，A為其幅值，角頻率為ω，初相角為φ。參考正弦信號(hào)為：

　　其中，B 為其幅值，τ是時(shí)間位移，（）Mt為隨機(jī)噪聲。則兩者的相關(guān)函數(shù)為：

　　由于在被測(cè)量的信號(hào)里所包含的各種信號(hào)分量中，參考信號(hào)Y（t）的頻率只與輸入的有用信號(hào)頻率相關(guān)，與隨機(jī)噪聲N（ t）的頻率不相關(guān)，且有用信號(hào)S （t）與隨機(jī)噪聲M（t）之間及噪聲與噪聲之間的頻率也均相互獨(dú)立，所以它們的相關(guān)函數(shù)為零，即Rny（t）=0。

　　于是，就有從而，令鎖相放大器實(shí)現(xiàn)了從噪聲中提取有用信號(hào)的目的。理論上已證明，當(dāng)信號(hào)的頻率和相位已知，采用相干檢測(cè)技術(shù)能使輸出信噪比達(dá)到最大。

　　鎖相放大器結(jié)構(gòu)分析

　　鎖定放大器一種利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)檢測(cè)的儀器，它能精確測(cè)量被掩埋在噪聲中的微弱信號(hào)。鎖相放大器的輸入為正弦波或方波交流信號(hào)，其輸出為正比于輸入波形幅值的直流信號(hào)。鎖定放大器的基本組成如圖（1），包括信號(hào)通道、參考通道、相敏檢測(cè)器（PSD）和低通濾波器（LPF）等。

　?。?）信號(hào)通道對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行交流放大，將微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相敏檢測(cè)器工作的電平，并且要濾除部分干擾和噪聲，以提高相敏檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。

　?。?）參考通道的功能是為相敏檢測(cè)器提供與被測(cè)信號(hào)相干的控制信號(hào)，故參考輸入必須是與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的同頻信號(hào)。參考通道的輸出r（t）可以是正弦波，也可以是方波，但為了防止r（t）的幅度漂移影響鎖定放大器的輸出精度，r（t）最好采用采用占空比為50%的方波開(kāi)關(guān)信號(hào)，用電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)相敏檢測(cè)。

　　（3）相敏檢波器的輸出通過(guò)低通濾波器壓縮帶寬，大量的寬帶噪聲被濾除，使鎖相放大器具有很強(qiáng)的抑制噪聲能力。鎖相放大器的通帶寬度取決于低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)越長(zhǎng)，帶寬越窄，對(duì)信噪比的改善也就越高。信噪比的改善與時(shí)間常數(shù)的平方根成正比。為使LPF的輸出滿足要求，常常使用直流放大器對(duì)其輸出進(jìn)行放大。簡(jiǎn)言之鎖相放大器就是將深埋在噪聲中特定頻率的微弱信號(hào)提取出來(lái)并進(jìn)行放大。