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量動態(tài)信號的電子儀器。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的信號中測出某一頻率的信號的相位和幅值。

　　它之所以具備這樣的能力是運用了正交性原理，將非選定頻率的信號（即噪聲）去除而選定頻率的信息得以保留。因為具有很強的抗噪聲能力，鎖相放大器被廣泛應(yīng)用于各種高精測量系統(tǒng)中，比如MEMS研究。這篇文章主要來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)，它把被測量的信號通過頻率變換的方式轉(zhuǎn)變成為直流。即利用鎖相放大器中的信號相關(guān)原理，對兩個混有噪聲的周期信號進(jìn)行相乘和積分處理后，將信號從噪聲中檢測出來，并達(dá)到通過互相關(guān)運算削弱噪聲影響的目的。設(shè)是伴有噪聲的周期信號，即：

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

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

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

　　于是，就有從而，令鎖相放大器實現(xiàn)了從噪聲中提取有用信號的目的。理論上已證明，當(dāng)信號的頻率和相位已知，采用相干檢測技術(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)檢測技術(shù)實現(xiàn)微弱信號檢測的儀器，它能精確測量被掩埋在噪聲中的微弱信號。鎖相放大器的輸入為正弦波或方波交流信號，其輸出為正比于輸入波形幅值的直流信號。鎖定放大器的基本組成如圖（1），包括信號通道、參考通道、相敏檢測器（PSD）和低通濾波器（LPF）等。

　?。?）信號通道對輸入信號進(jìn)行交流放大，將微弱信號放大到足以推動相敏檢測器工作的電平，并且要濾除部分干擾和噪聲，以提高相敏檢測的動態(tài)范圍。

　?。?）參考通道的功能是為相敏檢測器提供與被測信號相干的控制信號，故參考輸入必須是與被測信號相關(guān)的同頻信號。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%的方波開關(guān)信號，用電子開關(guān)實現(xiàn)相敏檢測。

　?。?）相敏檢波器的輸出通過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間常數(shù)，時間常數(shù)越長，帶寬越窄，對信噪比的改善也就越高。信噪比的改善與時間常數(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其輸出進(jìn)行放大。簡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提取出來并進(jìn)行放大。