鎖相放大器降噪，為什么鎖相放大器抗噪能力強(qiáng)？ - 全文

　　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(mǎn)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(mǎn)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(lèi)儀器稱(chēng)為鎖相放大器?？衫斫鉃榘汛郎y(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(chēng)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(chēng)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(lèi)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(chēng)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(chēng)為鎖定相位。

　　為什么鎖相放大器抗噪能力強(qiáng)

　　鎖相放大器不容易受到噪聲影響的原因，是因?yàn)楹芎玫乩昧嗽肼暎ò自肼暎┡c目的信號(hào)（正弦波）之間在性質(zhì)上的差別。在這里，我們一方面整理白噪聲的性質(zhì)和正弦波的性質(zhì)，一方面解說(shuō)為什么鎖相放大器會(huì)具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力。

　　1、平坦的頻譜

　　在寬闊的頻率范圍內(nèi)，該信號(hào)具有幾乎相同的頻譜。信號(hào)的瞬時(shí)電平成為預(yù)測(cè)不到的隨機(jī)的值。

　　2、隨著頻帶寬度不同測(cè)量電壓會(huì)改變

　　在用毫伏計(jì)測(cè)量白噪聲時(shí)，得到的測(cè)量值和白噪聲所具有的頻譜帶寬（BandWidth： B.W.）的平方根以及電平成比例。測(cè)量得到的電壓值，與下圖中的淺藍(lán)色部分的面積成比例。

　　即使對(duì)于同樣的噪聲，如果用帶通濾波器（BPF）來(lái)限制所通過(guò)的頻帶，那么測(cè)量所得的電壓值就會(huì)不同。

　　把測(cè)量所得的噪聲電壓（Vrms），除以頻帶寬度的平方根，就得到用表示噪聲大小的單位、也即稱(chēng)作噪聲電壓密度（V/√Hz）來(lái)衡量的值。頻道寬度如果縮小到1/100，那么測(cè)量所得的噪聲電壓就縮小到1/10。

　　3、頻譜非常集中

　　1kHz正弦波信號(hào)的頻譜，只存在于1kHz的位置，其他地方的頻譜的電平都為零。

　　4、與頻帶寬度無(wú)關(guān)，測(cè)量所得電壓保持一定的值

　　因?yàn)轭l譜是集中分布的，所以不受頻帶寬度的影響，測(cè)量所得的電壓保持一定的值。但是，必須要使信號(hào)頻率存在于所取的頻帶之內(nèi)。用交流電壓表所測(cè)量的電壓值，與頻帶寬度無(wú)關(guān)，是上圖中的V。那么，在正弦波上疊加了白噪聲以后會(huì)怎么樣呢？

　　即使白噪聲與正弦波進(jìn)行加法運(yùn)算所得的信號(hào)，測(cè)量所得的電壓對(duì)于頻帶寬度所具有的各種性質(zhì)也不會(huì)有變化。所以，當(dāng)帶通濾波器的頻帶寬度變狹窄時(shí)，就會(huì)有以下結(jié)果：

　　想要測(cè)量的信號(hào)的電平不變；白噪聲的強(qiáng)度減小；交流聲等頻率不同的成分也當(dāng)然被削弱。

　　從以上這些結(jié)果可知，為了測(cè)量被噪聲所掩埋的信號(hào)，應(yīng)該將帶通濾波器的頻帶寬度變窄。如果將頻帶寬度縮小到1/N，那么噪聲就減小到1/√N(yùn)，而信號(hào)卻不改變，其結(jié)果SN比（信噪比）改善為1/√N(yùn)。

　　但是，這樣的帶通濾波器也是有一個(gè)限度的。為了說(shuō)明「鎖相放大器利用了噪聲與目的信號(hào)所具有的不同性質(zhì)，所以不容易受到噪聲的影響」，前面已解說(shuō)了以下幾個(gè)要點(diǎn)：

　　噪聲（白噪聲）的性質(zhì)；正弦波的性質(zhì)；從白噪聲與正弦波合成的信號(hào)中，使用帶通濾波器可以使目的信號(hào)（正弦波）從噪聲中浮現(xiàn)出來(lái)。

　　5、使通帶變狹窄的限度

　　使用帶通濾波器只讓想要測(cè)量的頻率信號(hào)通過(guò)，可以抑制噪聲，讓目的信號(hào)浮現(xiàn)出來(lái)。但是，使帶通濾波器的通帶寬度變窄，這也是有限度的。

　　在帶通濾波器中，中心頻率與通帶寬度的比值稱(chēng)作Q值，作為衡量帶通濾波器的濾波尖銳程度的一項(xiàng)指標(biāo)來(lái)使用。

　　Q值越大，通帶寬度就越窄，抑制噪聲的能力就越強(qiáng)。但是，一般的濾波器所能夠?qū)崿F(xiàn)的Q值，大約在100左右。對(duì)于1kHz的中心頻率，相應(yīng)的通帶寬度的限界大約在10Hz左右。Q值不能任意增大的原因，在于組成濾波器的零部件的精確度和時(shí)間/溫度的穩(wěn)定性是有限的。