鎖相放大器降噪，為什么鎖相放大器抗噪能力強(qiáng)？

　　鎖相放大器是一種用于測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)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(méi)的信號(hào)中測(cè)出某一頻率的信號(hào)的相位和幅值。它之所以具備這樣的能力是運(yùn)用了正交性原理，將非選定頻率的信號(hào)（即噪聲）去除而選定頻率的信息得以保留。因?yàn)榫哂泻軓?qiáng)的抗噪聲能力，鎖相放大器被廣泛應(yīng)用于各種高精測(cè)量系統(tǒng)中，比如MEMS研究。

　　鎖相放大器降噪原理

　　鎖相放大器就是利用互相關(guān)的原理設(shè)計(jì)的一種同步相千檢測(cè)儀。它是一種對(duì)檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備。在測(cè)量中，噪聲是一種不希望的擾亂信號(hào)，它是限制和影響測(cè)量?jī)x器的靈敏度的白噪聲和1/ f 噪聲的低頻噪聲。這些噪聲是無(wú)法用屏蔽等措施消除的。為了減少噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響，常用窄帶濾波器濾除帶外噪聲，以提高信號(hào)的信噪比。但是，由于一般濾波器的中心頻率不穩(wěn)，而且?guī)捄椭行念l率以及濾波器的Q 值有關(guān)等原因，使它不滿足更高的濾除噪聲之要求。

　　根據(jù)相關(guān)原理，通過(guò)乘法器和積分器串聯(lián)，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，除去噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)相敏檢波，鎖相放大器采用互相關(guān)接受技術(shù)使儀器抑制噪聲的性能提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，還可以用斬波技術(shù)，把低頻以至直流信號(hào)變成高頻交流信號(hào)后進(jìn)行處理，從而避開(kāi)了低頻噪聲的影響。鎖相放大器抑制噪聲的性能如下：國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的鎖相放大器的等效噪聲帶寬厶在103HZ 數(shù)量級(jí)，少數(shù)的可以達(dá)可見(jiàn)，儀器具有非常窄的信號(hào)和噪聲帶到4X 104Hz，信號(hào)帶寬2.55X 106Hz，寬，通常帶通濾波器由于Q 值的定義，常規(guī)濾波器很難達(dá)到一些性能。

　　而鎖相放大器被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)是同步的，它不存在頻率穩(wěn)定性問(wèn)題，所以可以把它看成為一個(gè)“跟蹤濾波器”。它的等效Q 值由低通濾波器的積分時(shí)間常數(shù)決定，所以對(duì)元件和環(huán)境的穩(wěn)定性要求不高。研究表明，鎖相放大器使信噪比提高一萬(wàn)多倍即信噪比提高了80dB 以上。這足以表明，采用相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的鎖相放大器具ncin nnm有很強(qiáng)的抑制噪聲能力。

　　極高的放大倍數(shù)，若有輔助前置放大器，增益目前鎖相放大器有如下特點(diǎn)：可達(dá)1011（即220dB），能檢測(cè)極微弱信號(hào)交流輸入、直流輸出，其直流輸出電壓正比于輸入信號(hào)幅度及被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相位差，滿刻度靈敏度達(dá)PV、nV 甚至于PV 量級(jí)。由此可見(jiàn)，鎖相放大器具有極強(qiáng)的抗噪聲性能。它和一般的帶通放大器不同，輸出信號(hào)并不是輸入信號(hào)的放大，而是把交流信號(hào)放大并變成相應(yīng)的直流信號(hào)。

　　因此，這實(shí)際上不符合常規(guī)放大器的功能。在國(guó)外常把這類儀器稱為鎖相放大器。可理解為把待測(cè)信號(hào)中與參考信號(hào)同步的信號(hào)放大并檢測(cè)出來(lái)。因此，將鎖相放大器稱為“鎖定檢測(cè)儀”或“同步檢測(cè)儀”或許更為確切。但目前國(guó)內(nèi)都稱為“鎖相放大器”或“鎖定放大器”。鎖相放大器通常分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器，而兩種類型的L隊(duì)各有優(yōu)缺點(diǎn)。常用的模擬鎖相放大器雖然速度快，但是參數(shù)穩(wěn)定性和靈活性差，且在與微處理器通訊的時(shí)候需要轉(zhuǎn)換電路; 傳統(tǒng)數(shù)字鎖相放大器一般使用高速ADC 對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速采樣，然后使用比較復(fù)雜的算法進(jìn)行鎖相運(yùn)算，這對(duì)微處理器的速度要求很高。

　　為了大幅度提高檢測(cè)下限和測(cè)量靈敏度，不僅要減少測(cè)量系統(tǒng)的噪聲，而且要能從噪聲中提取信號(hào)，故采用的新思路，進(jìn)行相千檢測(cè)。其基本思想是：

　　1） 首先使測(cè)量系統(tǒng)的主要部分，避開(kāi)噪聲功率密度大的地方，從而使輸入噪聲較小。已知在低頻區(qū)，閃爍噪聲可以比自噪聲高出數(shù)倍、數(shù)十倍、甚至數(shù)百倍。因此，要設(shè)法使信號(hào)不失真的從低頻區(qū)移出（1/F 角以外）。

　　2） 對(duì)不同的頻率信號(hào)，應(yīng)該設(shè)法將其移頻至固定中心頻率，這樣就可以使用固定中心頻率，固定頻帶的BPF。

　　3） 從信號(hào)與噪聲的特征對(duì)比可以看出，信號(hào)與多數(shù)噪聲有頻率和相位兩個(gè)方面的不同。BPF 只是利用頻率特征的識(shí)別。因此，如果再利用相位特征的識(shí)別，將可把同頻率、不同相位的噪聲大量排除。在光學(xué)中，對(duì)頻率和相位都進(jìn)行區(qū)分的方法稱為相干法，故這種檢測(cè)方法叫相千檢測(cè)，在電子學(xué)中，這種檢測(cè)方法稱為鎖定相位。