锁相放大器的应用盘点

　　锁相放大器简介

　　锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。

　　此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。

　　

　　锁相放大器的工作原理

　　1、相关检测及相关检测器。所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）；如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。 如果f1（t）和f2（t-τ）为两个功率有限信号，刚可定义它们的互相关函数为

　　

　　令f1（t）=V1（t）+n1（t），f2（t）=V1（t）+n2（t），其中n1（t）和n2（t）分别代表与待测信号V1（t）及参考信号V2（t）混在一起的噪声，则式（3.1.1）可写成

　　

　　式中Rsr（τ），Rr2（τ），Rr1（τ），R12（τ）分别是两信号之间，信号对噪声及噪声之间的函数。由 于噪声的频率和相位都是随机量，他们的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。所以，可认为信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的，他们的互相关 函数为零。于是式（3.1.2）可写成

　　

　　上式表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。

　　2、锁相放大器的基本组成。目前锁相放大器类型很多，但其基本组成只有 三大部分，即信号通道、参考通道及相关检测器（见下图）。

　　

　　输入的交流待测信号与噪声一起进入信号通道，经低噪声前置放大器放大再通过高低通滤波，使噪声受到初步抑制，然后送入相敏检波器PSD，以免PSD出现过载。

　　参考信号进入参考通道后，一般也要经过放大、整形、移相等处理后再送入PSD与待测信号进行相关检测，可以通过调节参考通道的移相器使参考信号对输入信号 之相位改变，使参考信号与输入信号同相即φ=0时，相位被锁定，从而抑制了不相干的噪声信号。有些锁相放大器的参考通道中设置有跟踪电路，以保证在仪器的 工作范围内使参考信号与输入信号保持所需的相移值。

　　锁相放大器的应用盘点

　　1、锁相放大器在温度传感器校准系统中的应用

　　在瞬态温度测量中，温度随时间迅速变化，由于测温传感器感温件的热惯性和有限热传导，测出的温度与实际温度存在差别，这种差别即为动态响应误差。为了尽量减少这类系统误差，需对测温传感器进行动、静态校准。校准装置由于存在电源噪声、辐射噪声、震动噪声及回馈控制噪声等的影响，低温下系统的微弱信号将被噪声淹没，无法分辨有效的信号，使系统无法在低温范围对温度传感器校准。在系统中加入锁相放大器，利用噪声与参考信号不相关，而湮没于噪声当中的微弱信号与参考信号有着极高的相关性的特点，从而改善了系统的信噪比，拓宽了校准系统的温度下限。

　　

　　在该系统中。由于红外探测器的频率响应特性优于温度传感器，因此可以红外探测器所得曲线作为真值来校准温度传感器的频率响应并获取系统误差的修正值，但红外探测器易受杂散光、环境辐射、内部噪声等影响，尤其是低温时热辐射信号微弱，信噪比较低，信号将淹没在噪声中，这就限制了校准系统在低温时的应用。应用了锁相放大器的温度传感器校准系统，锁

　　相放大器的参考信号由激光器的控制脉冲信号提供，它与红外探测器应探测的热辐射信号同频率。红外探测器探测到的信号和噪声经锁相放大器选频放大后，噪声得到抑制，信号被放大。通过实验波形，可以发现红外探测器输出信号得到了明显的改善。校准系统温度下限的拓展，系统信噪比的提高，在温度校准系统中，采用高功率脉冲可调的CO2 激光器为阶跃温度发生装置，对温度传感器进行加热提供一个温度激励信号来校准温度传感器。加入SR830 双相锁相放大器以后，拓宽了温度传感器校准的温度范围，能够在低至室温范围内对温度传感器校准;锁相放大器优良的选频放大作用极大地提高了系统的信噪比。

　　2、基于Labview的锁相放大器的应用

　　A）声音定位系统

　　如下图所示，测量仪是由三个位于等腰直角三角形的声音接受器组成，测量范围为以OA为Y轴，OB为X轴的直角坐标系的第一象限区域（三角形的右上方）。设S点为声源，由于声源到三个接收器的距离不同，其发出的声波到达三个接收器的时间不同，所测得的相位差也不同，据此计算出声源的位置。如果使声源S发出的声音为一已知固定频率，便可利用锁相放大器有效克服噪声，检测到三个信号，并较为精确地求出其两两之间的相位差。

　　

　　B）PN结电容的测量

　　PN结外加电压时，势垒区的空间电荷数量将随外加电压变化，这种由势垒区的点和变化引起的电容是势垒电容CT。PN结的电容是随外加电压的变化而变化的，利用这一特性可制作一只变容二极管，在二极管上面加大小可调的反向直流偏压V0，同时加正弦震荡的交流电压，并使其与一个大电容共同分担这个交流电压。将分压V输入锁相放大器，可测得这一微小信号的振幅等信息。改变直流电压值，可得到V- V0曲线。再利用已知电容替换PN结，保持V不变的情况下可对曲线进行定标，从而得到不同电压下的势垒电容CT。

　　C） 光速测量

　　以CG-Ⅱ型光速测量仪为例，利用光拍频法测量光速。仪器用一个超高频功率信号源产生频率为F的信号输入声光移频器，在声光介质中产生驻波声场。激光通过介质光栅发生衍射，其零级衍射光中含有拍频为Δf=2F的成分。利用半反射镜将这束光分为近程和远程两路，并利用斩波器使每一时刻只有一路中有光经过。传播一段距离后让两束光光路重合，利用光电二极管收集其光强信号，可利用锁相放大器测量此信号。调节两束光的光程差，当光程差等于一个拍频波长时，两正弦波的相位差为2π，可由锁相放大器测得。而c=Δf×Λ=2F×Λ，由此可得到光速。

　　3、锁相放大器的其他应用

　　A）SR850锁相放大器在激光散射测量中的应用

　　目标激光散射特性的研究对激光雷达目标探测具有重要的指导意义，激光散射自动测量系统可为建立激光雷达散射截面（LRCS）的缩比模型提供测试条件，并验证理论预估。由于SR850锁相放大器（LIA）具有高动态存储、低漂移、低失真、0.001°的相位分辨力等卓越性能，可有效满足微弱信号的检测需要。通过编程实现PC机与SR850之间控制命令以及数据的传输，提高了系统的自动化程度。对典型样片进行了激光雷达散射截面测量，并给出了数据处理方法和系统性能分析。结果表明，SR850锁相放大器的使用提高了系统测量的精度及动态范围。

　　B）锁相放大器中的高灵敏度微弱光电信号检测技术

　　锁相放大器在微弱光电信号检测中有着广泛的应用。在锁相放大器研制中应用的高灵敏度微弱信号检测技术和高动态储备、高稳定噪声抑制滤波技术，采用浮地隔离地回路干扰、低噪声前置放大、电源及二次谐波陷波、自动跟踪带通滤波、窄带低通滤波等技术措施。这些技术措施能有效地抑制信号输入通道前端噪声，阻隔地回路的干扰，提高系统的灵敏度和过载能力，压缩噪声带宽，改善信噪比，实现nV 级微弱光电信号检测