锁相放大器降噪，为什么锁相放大器抗噪能力强？

　　锁相放大器是一种用于测量动态信号的电子仪器。它的主要组成部分有振荡器，混频器和低通滤波器。它的最基本，也是最常用的功能是从被噪声淹没的信号中测出某一频率的信号的相位和幅值。它之所以具备这样的能力是运用了正交性原理，将非选定频率的信号（即噪声）去除而选定频率的信息得以保留。因为具有很强的抗噪声能力，锁相放大器被广泛应用于各种高精测量系统中，比如MEMS研究。

　　锁相放大器降噪原理

　　锁相放大器就是利用互相关的原理设计的一种同步相千检测仪。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。在测量中，噪声是一种不希望的扰乱信号，它是限制和影响测量仪器的灵敏度的白噪声和1/ f 噪声的低频噪声。这些噪声是无法用屏蔽等措施消除的。为了减少噪声对有用信号的影响，常用窄带滤波器滤除带外噪声，以提高信号的信噪比。但是，由于一般滤波器的中心频率不稳，而且带宽和中心频率以及滤波器的Q 值有关等原因，使它不满足更高的滤除噪声之要求。

　　根据相关原理，通过乘法器和积分器串联，进行相关运算，除去噪声干扰，实现相敏检波，锁相放大器采用互相关接受技术使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级。另外，还可以用斩波技术，把低频以至直流信号变成高频交流信号后进行处理，从而避开了低频噪声的影响。锁相放大器抑制噪声的性能如下：国内外生产的锁相放大器的等效噪声带宽厶在103HZ 数量级，少数的可以达可见，仪器具有非常窄的信号和噪声带到4X 104Hz，信号带宽2.55X 106Hz，宽，通常带通滤波器由于Q 值的定义，常规滤波器很难达到一些性能。

　　而锁相放大器被测信号和参考信号是同步的，它不存在频率稳定性问题，所以可以把它看成为一个“跟踪滤波器”。它的等效Q 值由低通滤波器的积分时间常数决定，所以对元件和环境的稳定性要求不高。研究表明，锁相放大器使信噪比提高一万多倍即信噪比提高了80dB 以上。这足以表明，采用相关技术设计的锁相放大器具ncin nnm有很强的抑制噪声能力。

　　极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益目前锁相放大器有如下特点：可达1011（即220dB），能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差，满刻度灵敏度达PV、nV 甚至于PV 量级。由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声性能。它和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。

　　因此，这实际上不符合常规放大器的功能。在国外常把这类仪器称为锁相放大器。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。因此，将锁相放大器称为“锁定检测仪”或“同步检测仪”或许更为确切。但目前国内都称为“锁相放大器”或“锁定放大器”。锁相放大器通常分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器，而两种类型的L队各有优缺点。常用的模拟锁相放大器虽然速度快，但是参数稳定性和灵活性差，且在与微处理器通讯的时候需要转换电路; 传统数字锁相放大器一般使用高速ADC 对信号进行高速采样，然后使用比较复杂的算法进行锁相运算，这对微处理器的速度要求很高。

　　为了大幅度提高检测下限和测量灵敏度，不仅要减少测量系统的噪声，而且要能从噪声中提取信号，故采用的新思路，进行相千检测。其基本思想是：

　　1） 首先使测量系统的主要部分，避开噪声功率密度大的地方，从而使输入噪声较小。已知在低频区，闪烁噪声可以比自噪声高出数倍、数十倍、甚至数百倍。因此，要设法使信号不失真的从低频区移出（1/F 角以外）。

　　2） 对不同的频率信号，应该设法将其移频至固定中心频率，这样就可以使用固定中心频率，固定频带的BPF。

　　3） 从信号与噪声的特征对比可以看出，信号与多数噪声有频率和相位两个方面的不同。BPF 只是利用频率特征的识别。因此，如果再利用相位特征的识别，将可把同频率、不同相位的噪声大量排除。在光学中，对频率和相位都进行区分的方法称为相干法，故这种检测方法叫相千检测，在电子学中，这种检测方法称为锁定相位。

　　为什么锁相放大器抗噪能力强

　　锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因为很好地利用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间在性质上的差别。在这里，我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质，一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力。

　　1、平坦的频谱

　　在宽阔的频率范围内，该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。

　　2、随着频带宽度不同测量电压会改变

　　在用毫伏计测量白噪声时，得到的测量值和白噪声所具有的频谱带宽（BandWidth： B.W.）的平方根以及电平成比例。测量得到的电压值，与下图中的浅蓝色部分的面积成比例。

　　即使对于同样的噪声，如果用带通滤波器（BPF）来限制所通过的频带，那么测量所得的电压值就会不同。

　　把测量所得的噪声电压（Vrms），除以频带宽度的平方根，就得到用表示噪声大小的单位、也即称作噪声电压密度（V/√Hz）来衡量的值。频道宽度如果缩小到1/100，那么测量所得的噪声电压就缩小到1/10。

　　3、频谱非常集中

　　1kHz正弦波信号的频谱，只存在于1kHz的位置，其他地方的频谱的电平都为零。

　　4、与频带宽度无关，测量所得电压保持一定的值

　　因为频谱是集中分布的，所以不受频带宽度的影响，测量所得的电压保持一定的值。但是，必须要使信号频率存在于所取的频带之内。用交流电压表所测量的电压值，与频带宽度无关，是上图中的V。那么，在正弦波上叠加了白噪声以后会怎么样呢？

　　即使白噪声与正弦波进行加法运算所得的信号，测量所得的电压对于频带宽度所具有的各种性质也不会有变化。所以，当带通滤波器的频带宽度变狭窄时，就会有以下结果：

　　想要测量的信号的电平不变；白噪声的强度减小；交流声等频率不同的成分也当然被削弱。

　　从以上这些结果可知，为了测量被噪声所掩埋的信号，应该将带通滤波器的频带宽度变窄。如果将频带宽度缩小到1/N，那么噪声就减小到1/√N，而信号却不改变，其结果SN比（信噪比）改善为1/√N。

　　但是，这样的带通滤波器也是有一个限度的。为了说明「锁相放大器利用了噪声与目的信号所具有的不同性质，所以不容易受到噪声的影响」，前面已解说了以下几个要点：

　　噪声（白噪声）的性质；正弦波的性质；从白噪声与正弦波合成的信号中，使用带通滤波器可以使目的信号（正弦波）从噪声中浮现出来。

　　5、使通带变狭窄的限度

　　使用带通滤波器只让想要测量的频率信号通过，可以抑制噪声，让目的信号浮现出来。但是，使带通滤波器的通带宽度变窄，这也是有限度的。

　　在带通滤波器中，中心频率与通带宽度的比值称作Q值，作为衡量带通滤波器的滤波尖锐程度的一项指标来使用。

　　Q值越大，通带宽度就越窄，抑制噪声的能力就越强。但是，一般的滤波器所能够实现的Q值，大约在100左右。对于1kHz的中心频率，相应的通带宽度的限界大约在10Hz左右。Q值不能任意增大的原因，在于组成滤波器的零部件的精确度和时间/温度的稳定性是有限的。