鎖相放大器的應(yīng)用盤點(diǎn)

　　鎖相放大器簡(jiǎn)介

　　鎖相放大器是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器。它利用和被測(cè)信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻（或者倍頻）、同相的噪聲分量有響應(yīng)。因此，能大幅度抑制無(wú)用噪聲，改善檢測(cè)信噪比。

　　此外，鎖相放大器有很高的檢測(cè)靈敏度，信號(hào)處理比較簡(jiǎn)單，是弱光信號(hào)檢測(cè)的一種有效方法。鎖相放大器又稱鎖定放大器是對(duì)正弦信號(hào)（含具有窄帶特點(diǎn)的調(diào)幅信號(hào)）進(jìn)行相敏檢波的放大器，它實(shí)際上是一個(gè)模擬的傅立葉變換器，在強(qiáng)噪聲下，利用有用信號(hào)的頻率值準(zhǔn)確測(cè)出有用信號(hào)的幅值。應(yīng)用在科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域中：如通訊、工業(yè)、國(guó)防、生物、海洋等。

　　鎖相放大器的工作原理

　　1、相關(guān)檢測(cè)及相關(guān)檢測(cè)器。所謂相關(guān)，是指兩個(gè)函數(shù)不相關(guān)（彼此獨(dú)立）；如果它們的乘積對(duì)時(shí)間求平均（積分）為零，剛表明這兩個(gè)函數(shù)的關(guān)系又可分為自相關(guān)和互相關(guān)兩種。由于互相關(guān)檢測(cè)抗干擾能力強(qiáng)，因此在微弱信號(hào)檢測(cè)中大都采用互相關(guān)檢測(cè)原理。 如果f1（t）和f2（t-τ）為兩個(gè)功率有限信號(hào)，剛可定義它們的互相關(guān)函數(shù)為

　　令f1（t）=V1（t）+n1（t），f2（t）=V1（t）+n2（t），其中n1（t）和n2（t）分別代表與待測(cè)信號(hào)V1（t）及參考信號(hào)V2（t）混在一起的噪聲，則式（3.1.1）可寫成

　　式中Rsr（τ），Rr2（τ），Rr1（τ），R12（τ）分別是兩信號(hào)之間，信號(hào)對(duì)噪聲及噪聲之間的函數(shù)。由 于噪聲的頻率和相位都是隨機(jī)量，他們的偶爾出現(xiàn)可用長(zhǎng)時(shí)間積分使它不影響信號(hào)的輸出。所以，可認(rèn)為信號(hào)和噪聲、噪聲和噪聲之間是互相獨(dú)立的，他們的互相關(guān) 函數(shù)為零。于是式（3.1.2）可寫成

　　上式表明，對(duì)兩個(gè)混有噪聲的功率有限信號(hào)進(jìn)行相乘和積分處理（即相關(guān)檢測(cè)）后，可將信號(hào)從噪聲中檢出，噪聲被抑制，不影響輸出。

　　2、鎖相放大器的基本組成。目前鎖相放大器類型很多，但其基本組成只有 三大部分，即信號(hào)通道、參考通道及相關(guān)檢測(cè)器（見(jiàn)下圖）。

　　輸入的交流待測(cè)信號(hào)與噪聲一起進(jìn)入信號(hào)通道，經(jīng)低噪聲前置放大器放大再通過(guò)高低通濾波，使噪聲受到初步抑制，然后送入相敏檢波器PSD，以免PSD出現(xiàn)過(guò)載。

　　參考信號(hào)進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ篮?，一般也要?jīng)過(guò)放大、整形、移相等處理后再送入PSD與待測(cè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)參考通道的移相器使參考信號(hào)對(duì)輸入信號(hào) 之相位改變，使參考信號(hào)與輸入信號(hào)同相即φ=0時(shí)，相位被鎖定，從而抑制了不相干的噪聲信號(hào)。有些鎖相放大器的參考通道中設(shè)置有跟蹤電路，以保證在儀器的 工作范圍內(nèi)使參考信號(hào)與輸入信號(hào)保持所需的相移值。

　　鎖相放大器的應(yīng)用盤點(diǎn)

　　1、鎖相放大器在溫度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　在瞬態(tài)溫度測(cè)量中，溫度隨時(shí)間迅速變化，由于測(cè)溫傳感器感溫件的熱慣性和有限熱傳導(dǎo)，測(cè)出的溫度與實(shí)際溫度存在差別，這種差別即為動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差。為了盡量減少這類系統(tǒng)誤差，需對(duì)測(cè)溫傳感器進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)裝置由于存在電源噪聲、輻射噪聲、震動(dòng)噪聲及回饋控制噪聲等的影響，低溫下系統(tǒng)的微弱信號(hào)將被噪聲淹沒(méi)，無(wú)法分辨有效的信號(hào)，使系統(tǒng)無(wú)法在低溫范圍對(duì)溫度傳感器校準(zhǔn)。在系統(tǒng)中加入鎖相放大器，利用噪聲與參考信號(hào)不相關(guān)，而湮沒(méi)于噪聲當(dāng)中的微弱信號(hào)與參考信號(hào)有著極高的相關(guān)性的特點(diǎn)，從而改善了系統(tǒng)的信噪比，拓寬了校準(zhǔn)系統(tǒng)的溫度下限。

　　在該系統(tǒng)中。由于紅外探測(cè)器的頻率響應(yīng)特性優(yōu)于溫度傳感器，因此可以紅外探測(cè)器所得曲線作為真值來(lái)校準(zhǔn)溫度傳感器的頻率響應(yīng)并獲取系統(tǒng)誤差的修正值，但紅外探測(cè)器易受雜散光、環(huán)境輻射、內(nèi)部噪聲等影響，尤其是低溫時(shí)熱輻射信號(hào)微弱，信噪比較低，信號(hào)將淹沒(méi)在噪聲中，這就限制了校準(zhǔn)系統(tǒng)在低溫時(shí)的應(yīng)用。應(yīng)用了鎖相放大器的溫度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)，鎖

　　相放大器的參考信號(hào)由激光器的控制脈沖信號(hào)提供，它與紅外探測(cè)器應(yīng)探測(cè)的熱輻射信號(hào)同頻率。紅外探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)和噪聲經(jīng)鎖相放大器選頻放大后，噪聲得到抑制，信號(hào)被放大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)波形，可以發(fā)現(xiàn)紅外探測(cè)器輸出信號(hào)得到了明顯的改善。校準(zhǔn)系統(tǒng)溫度下限的拓展，系統(tǒng)信噪比的提高，在溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)中，采用高功率脈沖可調(diào)的CO2 激光器為階躍溫度發(fā)生裝置，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行加熱提供一個(gè)溫度激勵(lì)信號(hào)來(lái)校準(zhǔn)溫度傳感器。加入SR830 雙相鎖相放大器以后，拓寬了溫度傳感器校準(zhǔn)的溫度范圍，能夠在低至室溫范圍內(nèi)對(duì)溫度傳感器校準(zhǔn);鎖相放大器優(yōu)良的選頻放大作用極大地提高了系統(tǒng)的信噪比。

　　2、基于Labview的鎖相放大器的應(yīng)用

　　A）聲音定位系統(tǒng)

　　如下圖所示，測(cè)量?jī)x是由三個(gè)位于等腰直角三角形的聲音接受器組成，測(cè)量范圍為以O(shè)A為Y軸，OB為X軸的直角坐標(biāo)系的第一象限區(qū)域（三角形的右上方）。設(shè)S點(diǎn)為聲源，由于聲源到三個(gè)接收器的距離不同，其發(fā)出的聲波到達(dá)三個(gè)接收器的時(shí)間不同，所測(cè)得的相位差也不同，據(jù)此計(jì)算出聲源的位置。如果使聲源S發(fā)出的聲音為一已知固定頻率，便可利用鎖相放大器有效克服噪聲，檢測(cè)到三個(gè)信號(hào)，并較為精確地求出其兩兩之間的相位差。

　　B）PN結(jié)電容的測(cè)量

　　PN結(jié)外加電壓時(shí)，勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量將隨外加電壓變化，這種由勢(shì)壘區(qū)的點(diǎn)和變化引起的電容是勢(shì)壘電容CT。PN結(jié)的電容是隨外加電壓的變化而變化的，利用這一特性可制作一只變?nèi)?a target="_blank">二極管，在二極管上面加大小可調(diào)的反向直流偏壓V0，同時(shí)加正弦震蕩的交流電壓，并使其與一個(gè)大電容共同分擔(dān)這個(gè)交流電壓。將分壓V輸入鎖相放大器，可測(cè)得這一微小信號(hào)的振幅等信息。改變直流電壓值，可得到V- V0曲線。再利用已知電容替換PN結(jié)，保持V不變的情況下可對(duì)曲線進(jìn)行定標(biāo)，從而得到不同電壓下的勢(shì)壘電容CT。

　　C） 光速測(cè)量

　　以CG-Ⅱ型光速測(cè)量?jī)x為例，利用光拍頻法測(cè)量光速。儀器用一個(gè)超高頻功率信號(hào)源產(chǎn)生頻率為F的信號(hào)輸入聲光移頻器，在聲光介質(zhì)中產(chǎn)生駐波聲場(chǎng)。激光通過(guò)介質(zhì)光柵發(fā)生衍射，其零級(jí)衍射光中含有拍頻為Δf=2F的成分。利用半反射鏡將這束光分為近程和遠(yuǎn)程兩路，并利用斬波器使每一時(shí)刻只有一路中有光經(jīng)過(guò)。傳播一段距離后讓兩束光光路重合，利用光電二極管收集其光強(qiáng)信號(hào)，可利用鎖相放大器測(cè)量此信號(hào)。調(diào)節(jié)兩束光的光程差，當(dāng)光程差等于一個(gè)拍頻波長(zhǎng)時(shí)，兩正弦波的相位差為2π，可由鎖相放大器測(cè)得。而c=Δf×Λ=2F×Λ，由此可得到光速。

　　3、鎖相放大器的其他應(yīng)用

　　A）SR850鎖相放大器在激光散射測(cè)量中的應(yīng)用

　　目標(biāo)激光散射特性的研究對(duì)激光雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義，激光散射自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可為建立激光雷達(dá)散射截面（LRCS）的縮比模型提供測(cè)試條件，并驗(yàn)證理論預(yù)估。由于SR850鎖相放大器（LIA）具有高動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、低漂移、低失真、0.001°的相位分辨力等卓越性能，可有效滿足微弱信號(hào)的檢測(cè)需要。通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與SR850之間控制命令以及數(shù)據(jù)的傳輸，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。對(duì)典型樣片進(jìn)行了激光雷達(dá)散射截面測(cè)量，并給出了數(shù)據(jù)處理方法和系統(tǒng)性能分析。結(jié)果表明，SR850鎖相放大器的使用提高了系統(tǒng)測(cè)量的精度及動(dòng)態(tài)范圍。

　　B）鎖相放大器中的高靈敏度微弱光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

　　鎖相放大器在微弱光電信號(hào)檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用。在鎖相放大器研制中應(yīng)用的高靈敏度微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和高動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備、高穩(wěn)定噪聲抑制濾波技術(shù)，采用浮地隔離地回路干擾、低噪聲前置放大、電源及二次諧波陷波、自動(dòng)跟蹤帶通濾波、窄帶低通濾波等技術(shù)措施。這些技術(shù)措施能有效地抑制信號(hào)輸入通道前端噪聲，阻隔地回路的干擾，提高系統(tǒng)的靈敏度和過(guò)載能力，壓縮噪聲帶寬，改善信噪比，實(shí)現(xiàn)nV 級(jí)微弱光電信號(hào)檢測(cè)