锁相放大器中混频器的工作原理

文章来源：锐光凯奇raycage

原文作者：锐光凯奇

本文介绍了锁相放大器原理中混频器的原理。  

锁相放大器是一种用于提取微弱信号的高精度电子仪器，能够在强噪声背景下检测出微伏（μV）甚至纳伏（nV）级别的信号。其核心原理是利用参考信号的相位锁定技术，大幅提升信噪比（SNR），这项技术广泛应用于物理、化学、生物和工程领域的低频信号测量。随着仪器的发展，国产也推出了自己的锁相放大器，它的使用将是越来越广泛。

锁相放大器中最重要的参考信号获得之一的方法是使用混频器（MIXER）。

混频器（Mixer）是射频（RF）、微波和通信系统中的核心器件，用于将两个不同频率的信号混合，生成新的频率成分（和频、差频等），图1是本期推送内容中使用的Aertech出产的混频器：

图1 混频器

图1可以看到混频器有二个输入和一个输出，分别是本振信号LO、射频信号RF和输出到中频信号IF。基本工作原理如图2：  

图2 AI给出的混频器工作原理   图3的示意图可能更加容易理解：  

图3 混频器的原理示意图

混频器将频率为fRF的RF输入信号与频率为fLO的LO信号进行混频处理，并产生由和与差频率 fRF ± fLO组成的IF输出信号。用户可以在混频器后连接带通滤波器，从而选择和频率(fRF + fLO) 或差频率(fRF – fLO)。视频1是一个实际的输入输出实验：

视频1 混频器的一个实例

视频1中的RF和LO通过一个信号发生器输出分别为60M和20M，通过混频器的输出，在频谱仪上可以清楚的看到四个信号（图4）：

图4 混频器的输入和输出信号

把输入和输出信号接到示波器上可以看到信号的信息为图5：

图5 示波器上的混频器输入和输出

图5中示波器上的CH3是混频器的输出，它是差频与和频的叠加，即是40M和80M正弦波信号的叠加，感兴趣的读者可以使用Matlab仿真得到图6仿真的结果：

图6 使用Matlab仿真的结果

最后在IF输出使用滤波（如低通或带通）提取所需频率，一般使用差频， 在外差信号探测中为锁相放大器提供参考信号。