信号检测锁相放大器设计 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
信号检测理论课外作业
锁相放大器的Simulink仿真设计
姓名：潘世强
学号： 096
学院：光电工程学院
重庆大学光电工程学院
二0一一年十一月
锁相放大器的Simulink仿真设计
1.锁相放大器的原理
光声信号的幅度一般较小，通常是在微伏数量级，伴随的噪声可能是光声信号的数十倍。这里我们运用锁相放大器实现相关运算，从而抑制非相关噪声来提高信噪比。
锁相放大器的基本构成
锁相放大器的基本结构如下图所示。由信号通道、参考通道、相敏检测器（PSD）和低通滤波器组成。其中，信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作电平，滤除并抑制干扰信号；参考通道一般是输入等幅度的正弦信号或方波信号，它可以是从外部输入的某种周期信号，也可以是系统内原先用于调制的载波信号或用于斩波的信号；PSD以参考信号R(t)为基准，对有用信号X(t)进行相敏检测，从而实现频谱迁移过程，实现信号检测。
锁相放大器的信号处理 ①被检测信号()x t ：
000()cos()()cos()
n n n x t U t n t U t ωφωφ=++++
其中，0U 、0ω、0φ分别为有用信号的幅度、频率和相位；
()n t 为杂乱无章
的白噪声；n
U 、
n ω、n φ 为其他频率的噪声所对应的幅度、频率和相位，在理
想情况下，
0n ωω≠。
②参考信号1()r t 为正弦信号：
1()cos()
r r r r t U t ωφ=+
其中
n
U 、
n ω、n φ均为已知。
③相敏检测器输出信号：
100000000()()()
cos()cos()()cos()
cos()cos()
1
{cos[()()]cos[()()]}+()cos()21
{cos[()()]cos[()2
P r r r r r r n r n n r r r r r r r r r r n r n r n r n r V t x t r t U U t t n t U t U U t t U U t t n t U t U U t t ωφωφωφωφωφωωφφωωφφωφωωφφωω==+++++++=++++-+-++++++-+()]}n r φφ-
当有用信号频率与参考信号的频率相等，即
0r ωω=时，
100000()()()
11
cos[()()]cos()22
1
()cos()cos[()()]2
1
cos[()()]2
P r r r r r r r r n r n r n r n r n r V t x t r t U U t U U n t U t U U t t ωωφφφφωφωωφφωωφφ==++++-+++++++
-+-
除了与参考信号和被检测信号两者相位差相关的直流信号
001
cos()2
r r U U φφ-外，其余信号都是频率较高的交变信号。于是，将乘法器的输出信号经过一个低通滤波器，滤除高频率信号，得到直流信号
001
cos()2
r r U U φφ-。
2.锁相放大器的设计
锁相放大器的原理设计
我们可以看到，当参考信号与有用信号的相位差为90°时，输出的直流信
号001
cos()2
r r U U φφ-的值为0，此时我们将无法检测出有用的信号。这里我们采用正交矢量型锁相放大器来解决此问题。正交矢量型锁相放大器实现的结构原理图如图所示：
正交矢量型锁相放大器是利用两个正交的分量计算出幅度和相位，即采用两个同频率的参考信号
1()cos()
r r r r t U t ωφ=+和
2()sin()
r r r r t U t ωφ=+，它们的相
位相差90度，分别与输入信号相乘得到1()()()P V t x t r t =和'2()()()P V t x t r t =，两
束信号经过低通滤波器后分别得到两束直流信号
001
cos()2r r X U U φφ=
-和
001
sin()2r r Y U U φφ=
-。则输出信号
2201
2r R X Y U U =+=
，其中参考信号的
幅度r
U 已知，即可求得有用信号的幅值
U 。同时，由
0tan()r Y
X φφ=- 求得相
位
(
)
Y
arctg X ?=可获得参考信号与有用信号的相位差。
锁相放大器的Simulink 仿真设计
根据设计原理图，利用Matlab 中的Simlink 对锁相放大器进行仿真，根据设计要求，得到如下锁相放大器的仿真系统图：
3．仿真结果
系统的输入信号和输出信号 ①输入信号
有用信号为()2sin(50**t)x t =π
的正弦信号，白噪声的功率0.5,10n n P w f Hz ==，谐波干扰信号为()0.5sin(80**t)H x t =π的正弦信号，输入的参考信号为正弦信号，分别为1()2sin(50**t)r t =π
2()2cos(50**t)r t =π。以上输入信号的波形图分别如下所示：
②输出信号
相关信号的信噪比
假定有用信号()s n 的功率为s P ，噪声的功率为u P ，定义以下式子为信号
()x n 的信噪比（SNR ）。
10lg()()s u P SNR dB P =,其中2
1()T
x P x t dt T =?。
① 输入信号的信噪比（SNR in ）
噪声信号的功率0.5n P w =；
有用信号的功率2211
2222X s P V W ==?=；
谐波干扰信号的功率2211
0.50.12522H s P V W ==?=
因此，输入信号的信噪比in 2
10lg
5.05150.50.125
SNR ==+
② 输出信号的信噪比（SNR out ）
锁相放大器的输出功率2
1()T
out x P P x t dt T ==?，仿真的时间为2s,则得到的输
出功率2
2
011() 6.94 3.4722
out P x t dt W ==?=?。
因此，锁相放大器检测得到的信号的信噪比
out 3.47
10lg
7.44450.50.125
SNR ==+。
虚拟锁相放大器的multisim 仿真 作者注：本文参考自代显智老师的MuItisim 在锁定放大器教学中的应用一文，并在此基础上作出一些改进。该文档仅用做学习参考，请忽用于其他用途。文章难免有错误与不完善之处，敬请原谅。 Multisim13.01是美国国家仪器公司推出的EDA 仿真软件。Multisim 的软件界面友好、功能强大、易学易用，并且提供了虚拟电子元器件以及虚拟仪器仪表，将元器件和仪器集合为一体，可完成原理图设计和电路测试。 一、交流放大与噪声的施加 微弱信号通常被大幅值的噪声信号淹没，需要放大。图1采用了反相加法电路，将被检测信号和噪声信号叠加在一起。噪声采用虚拟仪器——Agilent 函数发生器产生。被检测的信号由交流信号源模拟产生。设置时，将Agilent 函数发生器的噪声峰峰值设为4V ，被检测的信号电压设为0.05V ，频率设为1kHz 。示波器XSC1测量加法器的输出，其输出信号如图2所示。 图1 交流放大与噪声叠加电路 图2交流信号与噪声叠加后的波形 二、带通滤波电路 该电路由一个二阶低通滤波器和一个二阶高通滤波器级联构成，如图3。设计带宽为500-2khz 。使用虚拟仪器波特测试仪结果如下图4所示。 信号输出
图4带通滤波电路幅频特性 三、相敏检测电路 AD630是一款高精度平衡调制器/解调器，AD630用于需要宽动态范围的精密信号处理和仪器仪表应用。当AD630用作采用锁定放大器配置的同步解调器时，可从100dB 干扰噪声中恢复小信号（参见锁定放大器应用部分）。虽然该电路针对高达1kHz 的工作频率进行 优化，但在频率高达几百千赫时也很有用。 图5AD630产品手册中锁定放大器的电路连接图 此处将使用AD630构成相敏检波器，实现的仿真电路如下。 信号输入
实验十九滤波法及数字锁相环法位同步提取实验 实验项目三数字锁相环法位同步观测 （1）观测“数字锁相环输入”和“输入跳变指示”，观测当“数字锁相环输入”没有跳变和有跳变时“输入跳变指示”的波形。 从图中可以观察出，若前一位数据有跳变，则判断有效，“输入跳变指示”输出表示1；否则，输出0表示判断无效。 （2）观测“数字锁相环输入”和“鉴相输出”。观测相位超前滞后的情况 数字锁相环的超前—滞后鉴相器需要排除位流数据输入连续几位码值保持不变的不利影响。在有效的相位比较结果中仅给出相位超前或相位滞后两种相位误差极性，而相位误差的绝对大小固定不变。经观察比较，“鉴相输出”比“数字锁相环输入”超前两个码元。
（3）观测“插入指示”和“扣除指示”。 （4）以信号源模块“CLK ”为触发，观测13号模块的“BS2”。 思考题：分析波形有何特点，为什么会出现这种情况。 因为可变分频器的输出信号频率与实验所需频率接近，将其和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，比较的结果若是载波频率高了，就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入 一个脉冲，相当于本地振荡频率上升，从而了达到同步的目的。 思考题：BS2恢复的时钟是否有抖动的情况，为什么？试分析BS2抖动的区间有多大？如何减小这个抖动的区间？ 有抖动的存在，是因为可变分频器的存在使得下一个时钟沿的到来时间不确定，从而引入了相位抖动。而这种引入的误差是无法消除的。减小相位抖动的方法就是将分频器的分频数提高。
实验二十 模拟锁相环实验 实验项目一 VCO 自由振荡观测 （1）示波器CH1接TH8，CH2接TH4输出，对比观测输入及输出波形。 实验项目二 同步带测量 （1） 示波器CH1接13号模块TH8模拟锁相环输入，CH2接TH4输出BS1，观察TH4 输出处于锁定状态。将正弦波频率调小直到输出波形失锁，此时的频率大小f1为 400Hz ；将频率调大，直到TH4输出处于失锁状态，记下此时频率f2为 9.25kHz 。 对比波形可以发现TH8与TH4信号输入与输出错位半个周期 如右图所示，方波抖动，说明处于失锁状态。 记下两次波形失锁的频率，可计 算 出 同 步 带 f=9.25KHz-400Hz=8.85KHz 。
C题：锁定放大器的设计 摘要：本设计对于检测微弱信号的锁存放大器进行论述，锁定放大器主要包括交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器及液晶显示等几个部分。其中，交流放大器以INA128为主要构成部件，实现交流信号的放大从而作为带通滤波器的输入；带通滤波器用UAF42构成，实现对900Hz到1100Hz频带范围的滤波过程，其误差小于20%；相敏检波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信号在输入低通滤波器经直流放大器放大后输入显示电路，显示出被测信号的幅度及有效值。另外，在相敏检波器部分的方波驱动信号由参考信道的参考信号经触发整形、移相、比较而来。同时，为了更好的检测出锁定放大器的性能，在信号的输入端增加加法器电路，实现被测信号与干扰信号的1:1叠加，当干扰信号的频率为1050Hz—2100Hz时，输出端的测量误差小于10%。锁定放大器在实际应用中用途广泛，尤其对于微弱信号检测方向站着主导地位，随着科技的发展已渐渐的融入人类的生活之中，拥有很好的发展前景。 关键词：带通滤波器；相敏检波器；显示；方波驱动
1 总体方案设计 1.1方案比较与选择 1.1.1微弱信号检测模块方案比较 方案一：采用滤波电路检测微弱信号，通过滤波电路将微弱信号从强噪声中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，由此可见该方案不满足要求。 方案二：采用取样积分电路检测小信号，采用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善√N倍，但这种方法取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。 方案三：采用锁相放大器检测小信号，锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器等组成，其中相敏检波器(PSD)是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有良好的检波特性。由于该被测信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适用于锁相放大器的工作情况，故选择方案三。 1.1.2移相网络模块方案比较 方案一：数字法：采用数字相移的方法势必增加电路的难度，所以此法不可取。 方案二：模拟法：由于电路用的是锁相放大，所以要保持输入信号相位的一致，故需要对参考信号做移相处理，移相采用简单的RC电路搭成，可以很容易得到所需效果。所以采用方案二。 1.1.3电阻分压模块方案比较 电阻分压网络有串联分压和π型网络，π型网络的性能较好，适合在高频的条件下工作，而本设计要求的电压范围较小，故采用简单电路串联来作为分压网络就可以达到要求。 1.1.4显示模块方案 方案一：采用数码管显示。数码管只能显示简单的数字，其电路复杂，占用资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。 方案二：采用液晶显示。液晶显示增加了显示信息的可读性，看起来更方便。而QC12864B字符点阵液晶模块有明显的优点：微功耗、尺寸小、显示信息量大、显示清晰、易控制，抗干扰能力强。
模拟锁相环模块 信息工程学院08级电子班安艳芳0839107 一、实验目的 1、熟悉模拟锁相环的基本工作原理 2、掌握模拟字锁相环的基本参数及设计 二、实验仪器 JH5001通信原理综合实验系统（一台）、20MHz双踪示波器（一台）、函数信号发生器（一台） 三、实验原理和电路说明 锁相的重要性：在电信网中，同步是一个十分重要的概念。其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上。同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一在系统工作中模拟锁相环将接收端的256KHz时钟锁在发端的256KHz的时钟上，来获得系统的同步时钟，如HDB3接收的同步时钟及后续电路同步时钟。 该模块主要由模拟锁相环UP01（MC4046）、数字分频器UP02（74LS161）、D触发器UP04（74LS74）、环路滤波器和由运放UP03（TEL2702）及阻容器件构成的输入带通滤波器（中心频率：256KHz）组成。因来自发端信道的HDB3码为归零码，归零码中含有256KHz时钟分量，经UP03B构成中心频率为256KHz 有源带通滤波器后，滤出256KHz时钟信号，该信号再通过UP03A放大，然后经UP04A和UP04B两个除二分频器（共四分频）变为64KHz信号，进入UP01鉴相输入A脚；VCO输出的512KHz输出信号经UP02进行八分频变为64KHz信号，送入UP01的鉴相输入B脚。经UP01内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01的压控振荡器输入端；WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。正常时，VCO 锁定在外来的256KHz频率上。 模拟锁相环模块各跳线开关功能如下： 1、跳线开关KP01用于选择UP01的鉴相输出。当KP01设置于1_2时（左端），环路锁定时TPP03、 TPP05输出信号将存在一定相差；当KP01设置于2_3时（右端），选择三态门鉴相输出，环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将不存在相差。 2、跳线开关KP021是用于选择输入锁相信号：当KP021置于1_2时，输入信号来自HDB3编码模块 的HDB3码信号；当KP021置于2_3时，选择外部的测试信号（J007输入），此信号用于测量该模拟锁相环模块的性能。
https://www.doczj.com/doc/d78074574.html,/st1272/article_22104.html 锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。 在外差式振荡技术中被称为本地振荡（Local Oscillation）的、用于做乘法运算的信号，在锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。锁相放大器能够（从被测量信号中）检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器（LPF）。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。在频率域中，如下图所示。 锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF）的截止频率来确定的。例如，在测量10kHz的信号时，如果使用1mHz的低通滤波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器时的噪声抑制能力。如果换算成为Q值，就相当于5×106。要想真正制造这样高的Q值的带通滤波器，那是不可能的。但是，使用锁相放大器，这就很容易实现了。 如同前面所解说的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器（BPF）时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。 与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实现。由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。 那么，实际的锁相放大器又是什么样的呢？ ■使用PSD（相敏检波器）作为乘法器。
专科模板-简易锁相放大器设计-终稿
电子科技大学 毕业论文简易锁相放大器设计 指导教师：张萍职称：讲师 学生姓名：文国江专业: 电子信息工程班级：英特尔班学号：V08024843152 2010年 06 月 01 日 电子科技大学成教院制
目录 第一章选题背景 1.1 背景说明 (3) 1.2 选题依据 (3) 1.3 本文工作 (4) 第二章锁相放大器的原理 (5) 第三章研究与分析 (8) 3.1 参考信号产生的方法比较与选择 (8) 3.2 前端放大器的设计 (8) 3.3 移相方法比较与选择 (8) 3.4 相敏检波器的方法比较与选择 (8) 第四章系统设计 (10) 4.1 总体设计 (10) 4.2 硬件设计 (11) 4.2.1 前置放大器的设计 (11) 4.2.2 移相电路的设计 (12) 4.2.3 相敏检波的设计 (13) 4.2.4 低通滤波器的设计 (14) 4.3 软件设计 (15) 第五章系统测试 (16) 第六章附录 (18) 总结 (26) 致谢 (27) 参考文献 (28)
第一章选题背景 1.1背景说明 1962年美国 EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身 )的第一台锁相放大器 (Lock-in Amplifier，简称 LIA)的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，极大地推动了基础科学和工程技术的发展。目前，微弱信号检测技术和仪器的不断进步，已经在很多科学和技术领域中得到广泛的应用，未来科学研究不仅对微弱信号检测技术提出更高的要求，同时新的科学技术发展反过来促进了微弱信号检测新原理和新方法的诞生。 早期的 LIA是由模拟电路实现的，随着数字技术的发展，出现了模拟与数字混合的 LIA，这种LIA只是在信号输入通道，参考信号通道和输出通道采用了数字滤波器来抑制噪声，或者在模拟锁相放大器（简称 ALIA）的基础上多了一些模数转换（ ADC）、数模转换（ DAC）和各种通用数字接口功能，可以实现由计算机控制、监视和显示等辅助功能，但其核心相敏检波器 (PSD)或解调器仍是采用模拟电子技术实现的，本质上也是 ALIA。直到相敏检波器或解调器用数字信号处理的方式实现后，就出现了数字锁相放大器（简称 DLIA），DLIA 比 ALIA有许多突出的优点而倍受青睐，成为现在微弱信号检测研究的热点，但是在一些特殊的场合中， ALIA仍然发挥着 DLIA不可替代的作用。 1.2选题依据 微弱信号检测技术是一门新兴的技术科学，它运用近年来迅速发展起来的电子学、信息论和物理学方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，采用一系列的信号处理方法，达到检测被背景噪声覆盖的微弱信号。运用微弱信号检测技术可以测量到传统观念认为不能测量的微弱信号，如弱光、小位移、微震动、微温差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流等，使微弱信号测量精度得到很大的提高。 “微弱信号"不仅意味着信号的幅度小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。为了检测被噪声覆盖的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因与规律，研究被测信号的特点、相关性及噪声的统计特性，以寻造出从背景噪声中检测出有用信号的方法。微弱信号检测技术大量应用在光谱学、物理、化学、天文、光通讯、雷达、声纳、以及生物医学工程领域。目前的微弱信号检测的方法有窄带滤波、取样积分、
通信原理实验报告三数字锁相环实验
实验3数字锁相环实验 一、实验原理和电路说明 在电信网中，同步是一个十分重要的概念。同步的种类很多，有时钟同步、比特同步等等，其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上，如果所有的终端均采用这种方式，则所有终端将以统一步调进行工作。 同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一。锁相环分为模拟锁相环与数字锁相环，本实验将对数字锁相环进行实验。 图2.2.1 数字锁相环的结构 数字锁相环的结构如图所示，其主要由四大部分组成：参考时钟、多模分频器（一般为三种模式：超前分频、正常分频、滞后分频）、相位比较（双路相位比较）、高倍时钟振荡器（一般为参考时钟的整数倍，此倍数大于20）等。数字锁相环均在FPGA内部实现，其工作过程如图所示。
T1时刻T2时刻T3时刻T4时刻 图2.2.2 数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征 在图，采样器1、2构成一个数字鉴相器，时钟信号E、F对D信号进行采样，如果采样值为01，则数字锁相环不进行调整（÷64）；如果采样值为00，则下一个分频系数为（1/63）；如果采样值为11，则下一分频系数为（÷65）。数字锁相环调整的最终结果使本地分频时钟锁在输入的信道时钟上。 在图中也给出了数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征。在锁相环开始工作之前的T1时该，图中D点的时钟与输入参考时钟C没有确定的相关系，鉴相输出为00，则下一时刻分频器为÷63模式，这样使D点信号前沿提前。在T2时刻，鉴相输出为01，则下一时刻分频器为÷64模式。由于振荡器为自由方式，因而在T3时刻，鉴相输出为11，则下一时刻分频器为÷65模式，这样使D点信号前沿滞后。这样，可变分频器不断在三种模式之间进行切换，其最终目的使D点时钟信号的时钟沿在E、F时钟上升沿之间，从而使D 点信号与外部参考信号达到同步。 在该模块中，各测试点定义如下： 1、TPMZ01：本地经数字锁相环之后输出时钟（56KHz） 2、TPMZ02：本地经数字锁相环之后输出时钟（16KHz） 3、TPMZ03：外部输入时钟÷4分频后信号（16KHz） 4、TPMZ04：外部输入时钟÷4分频后延时信号（16KHz） 5、TPMZ05：数字锁相环调整信号
如何测量被噪声埋没了的信号？ 在测量各种物理量（温度、加速度等）时，用传感器将其变换成为电信号，然后输入到分析仪器（测量仪器）中去。但是，仅想获得必要的信号是很难做到的。通常是连不必要的信号（也就是噪声）也一起被测量了。在各种情况下，噪声都有可能混进来。 噪声并不仅限于电信号，也有包含在被测量的物理量中的情况。另外，根据不同场合，也出现噪声强度远远高出所需要的目的信号电平的情况。想要测量的信号越微弱，那么噪声就相对地越大。 在这里，让我们来看一下用交流电压表来测量不同电平的1kHz 的正弦波信号的结果。 在信号上叠加了0.1Vmrs 的白噪声。“毫伏计”是一般的交流电压表，“锁相放大器”是一种专门测量微小信号的（特殊的）交流电压表。 信号电平 （正弦波信号） 波 形 （叠加了噪声的波形） 毫伏计的 测量结果 锁相放大器的 测量结果 1Vrms 1Vrms 0.999Vrms 100mVrms 140mVrms 99mVrms
1mVrms 105mVrms 1.01mVrms 0.1mVrms 105mVrms 0.107mVrms 毫伏计也同时测量噪声。即使用数字万用表（DMM ）来测量，也会得到与毫伏计相同的测量结果。 但锁相放大器，能在比目的信号（1kHz 正弦波）强1000倍的噪声中把目的信号几乎准确无误地检测出来。 在测量埋没在噪声中的信号时，使用锁相放大器最为合适。 为什么锁相放大器具有那么强的抗噪声能力？ 锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因为很好地利用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间在性质上的差别。 在这里，我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质，一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力。 噪声的性质 ■平坦的频谱 在宽阔的频率范围内，该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。
研究与设计 电 子 测 量 技 术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ Ｔ ＥＣＨＮＯＬＯＧＹ第３５卷第４期２０１２年４月 ＴＤＳ用锁相放大器电路设计 蒋 鹏 赵国忠 （首都师范大学物理系ＴＨｚ实验室 北京 １０００４８ ）摘 要：小型或微型锁相放大器（ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）目前市场罕有，小型ＴＨｚ时域光谱仪（ＴＤＳ）需要此种仪器。提出了一种ＬＩＡ设计方案，用于ＴＤＳ提取与ＴＨｚ波电场强度相关的信号。将差分探测器的信号进行预滤波和放大，后接带通滤波器，同时斩波器输出的信号经移相与前者分别送入ＡＤ６３０的信号端和同步端。锁相后信号经低通滤波器，送入ＡＤＣ。ＡＤＣ采集的数据送至上位机进行二滤波处理。整个ＬＩＡ系统放大微弱信号１ ０００倍左右，信噪比７００ｄＢ以上，电路板面积１１ｃｍ×５．５ｃｍ， 达到基本指标。关键词：锁相放大器；ＡＤ６３０；太赫兹探测；互相关；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中图分类号：ＴＮ９１１ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐ ｌｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ＴＤＳＪｉａｎｇ Ｐｅｎｇ Ｚｈａｏ Ｇｕｏｚｈｏｎｇ（ＴＨｚ Ｌａｂ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃａｐｉｔａｌ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４８）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｍａｌｌ ｏｒ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＬＩＡ）ｉｓ ｒａｒｅ ｏｎ ｍａｒｋｅｔ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｍａｌｌ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎｓｐ ｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（ＴＤＳ）．ＬＩＡ ｓｃｈｅｍｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ＴＤＳ ｔｏ ｅｘｔｒａｃｔ ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏＴＨｚ ｗａｖｅ ｆｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｓ ｔｏ ｂｅ ｐｒｅ－ｆｉｌｔｅｄ ａｎｄ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｅｄ，ｔｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈｂａｎｄ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ．Ｗｈｉｌｅ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｍ ｃｈｏｐｐｅｒ ａｒｅ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ＡＤ６３０ ｓ ｏｕｔｐｕｔ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ａｎｄｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｐｏｒｔ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ａｆｔｅｒ ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐ ｌｉｆｉｅｒ ｉｓ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｌｏｗ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｔｈｅｎ ｔｏ ＡＤＣ．Ｔｈｅｎ ｉｔ ｉｓｐ ｕｔ ｉｎｔｏ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｆｏｒ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ａｆｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ １０００ｔｉｍｅｓ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ７００ｄｂ ＳＮＲ，ａｎｄｓｙ ｓｔｅｍ ｓｉｚｅ ｉｓ １１ｃｍｘ５．５ｃｍ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＡＤ６３０；ＴＨｚ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 本文于２ ０１２年３月收到。０ 引 言 作为一种精密的测试仪器 ［１］ ，锁相放大器被广泛的用 在科研领域，尤其是在检测微弱小信号方面。但灵活小巧，轻便的小型或微型锁相放大器市场少有，而一些便携式光谱仪则需要用到小型锁相放大器。在ＴＨｚ时域光谱仪（ＴＤＳ）［２ ］，尤其是小型ＴＤＳ系统里，更需要小型或者微型锁相放大器。太赫兹时域光谱仪已经在各种材料的检测领域应用广泛， 例如爆炸物或者毒品的检测。但是国内目前在小型ＴＤＳ系统的发展上出现一些瓶颈，系统中需要有小型锁相放大器。 １ 原 理 锁相放大器是基于互相关检测原理（见图１）来实现从大背景噪声中提取微弱的有用信号。当输入信号与参考信号频率完全一致的信号在乘法器的输出端得到直流偏量， 其他信号在输出端都是交流信号，要是在乘法器后加一个低通滤波器， 滤除交流分量，那么剩下的直流分量，而这个直流分量只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。 图１ 互相关检测原理 ２ 实施方案 为实现低成本小体积的锁相放大器，采集太赫兹时域光谱仪中的差分探头产生的信号。通过核心器件ＡＤ６３０ （平衡调制解调器）做锁相放大，以提取被噪声淹没的微弱
锁相放大器的原理实验报告 摘要：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。 关键词：锁相放大器；微弱信号放大；PSD输出波形；谐波响应 一、引言 随着科学技术的发展，科学研究领域向宏观和微观不断深入，常常需要检测极微弱的信号，如物理学中的表面物理特性，光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱，生物学中的细胞发光特性、生物电的测量等。在这些测量过程中，待测的微弱信号常常淹没在强大的背景噪声之中，使用常规的检测手段就无法达到目的。而且随着科学的发展，对实验数据的可靠性、准确性、精确性的要求也越来越高，因此，微弱信号的检测就越来越重要，自60年代初开始，关于信号检测与处理的技术开始产生并迅速发展，现已逐渐形成一专门的边缘科学，在物理、化学、生物、天文、地质、医学、材料等学科领域得到广泛应用。 锁相放大器（Lock-In Amplifier，简写为LIA）就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号,能测量到输入信噪比低至10-5的微弱正弦量。自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。目前全世界已有多个厂家生产该仪器 本实验使用由南京微弱信号检测中心研制的微弱信号综合实验仪来介绍锁相放大器的基本工作原理与使用方法，通过本实验可以了解锁相放大器的基本特点和应用方向。 二、实验 (一)实验原理 锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度。
数字锁相环试验讲义 一、锁相环的分类 模拟、数字如何定义？何谓数字锁相环。是指对模拟信号进行采样量化之后（数字化）的“数字信号”的处理中应用的锁相环，还是指的对真正的“数字信号”如时钟波形进行锁定的锁相环？ 二、数字锁相环的实际应用 欲成其事，先明其义。 现代数字系统设计中，锁相环有什么样的作用。 1）在ASIC设计中的应用。 主要应用领域：窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复；频率合成。 例一：为了达到ASIC设计对时钟的要求,许多工程师都在他们的设计中加入了锁相环(PLL)。PLL有很多理想的特性，例如可以倍频、纠正时钟信号的占空比以及消除时钟在分布中产生的延迟等。这些特性使设计者们可以将价格便宜的低频晶振置于芯片外作为时钟源，然后通过在芯片中对该低频时钟源产生的信号进行倍频来得到任意更高频率的内部时钟信号。同时，通过加入PLL，设计者还可以将建立-保持时间窗与芯片时钟源的边沿对齐，并以此来控制建立-保持时间窗和输入时钟源与输出信号之间的延迟。 2）在信号源产生方面的应用 例二：由于无线电通信技术的迅速发展，对振荡信号源的要求也在不断提高。不但要求它的频率稳定度和准确度高，而且要求能方便地改换频率。实现频率合成有多种方法，但基本上可以归纳为直接合成法与间接合成法（锁相环路）两大类。 3）无线通信领域的实际应用 例三：GSM手机的频率系统包括参考频率锁相环，射频本振锁相环、中频本振锁相环。 广义的数字锁相环包括扩频通信中的码跟踪。 三、数字锁相环的基本原理 一般数字锁相环路的组成与模拟锁相环路相同，即也是由相位检波器、环路滤波器和本地振荡器等基本部件构成，但这些部件全部采用数字电路。具体来说数字锁相环由：数字鉴相器、数字环路滤波器、NCO和分频器组成。 四、实际应用中的数字锁相环的实现方法 PLL的结构和功能看起来十分简单，但实际上却非常复杂，因而即使是最好的电路设计者也很难十分顺利地完成PLL的设计。 在实际应用中，针对数字信号或数字时钟的特点，数字锁相环多采用超前滞后型吞吐脉冲的锁相环路来实现。 下面的框图是一个实用的数字锁相环的实现框图。
2012年15省赛区大学生电子设计TI 杯竞赛试题 参赛注意事项 （1）2012年8月5日8:00竞赛正式开始。本科组参赛队只能在A 、B 、C 、D 、E 题目中任选一 题；高职高专组参赛队原则上在F 、G 、H 题中任选一题，也可以选择其他题目。 （2）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的 有效证件（如学生证）随时备查。 （3）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。 （4）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制作， 不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。 （5）2012年8月7日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。 微弱信号检测装置（A 题） 【本科组】 一、任务 设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。为便于测评比较，统一规定显示峰值。整个系统的示意图如图1所示。正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav 文件）来产生，通过PC 机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。图中A 、B 、C 、D 和E 分别为五个测试端点。 图1 微弱信号检测装置示意图 二、要求 1. 基本要求 （1）噪声源输出V N 的均方根电压值固定为1V ±0.1V ；加法器的输出V C =V S +V N ，带宽大于1MHz ；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。 （2）微弱信号检测电路的输入阻抗R i ≥1 M Ω。 （3）当输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz 、幅度峰峰值在200mV ~ 2V 范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 2. 发挥部分
实验三：模拟锁相环与载波同步 一、实验目的 1.模拟锁相环工作原理以及环路锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。 2.掌握用平方法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。 3.了解相干载波相位模糊现象产生的原因。 二、实验内容 1. 观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程。 2. 观察环路的捕捉带和同步带。 3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象。 三、实验步骤 本实验使用数字信源单元、数字调制单元和载波同步单元。 1.熟悉载波同步单元的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关。 2.检查要用到的数字信源单元和数字调制单元是否工作正常（用示波器观察信源NRZ-OUT(AK)和调制2DPSK信号有无，两者逻辑关系正确与否）。 3. 用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、失锁状态，测量环路的同步带、捕捉带。 环路锁定时u d 为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率（此锁相环中 即等于VCO信号频率）。环路失锁时u d 为差拍电压，环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。本环路输入信号频率等于2DPSK载频的两倍，即等于调制单元CAR信号频率的两倍。环路锁定时VCO信号频率等于CAR-OUT信号频率的两倍。所以环路锁定时调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT频率完全相等。 根据上述特点可判断环路的工作状态，具体实验步骤如下： （1）观察锁定状态与失锁状态 打开电源后用示波器观察u d ，若u d 为直流，则调节载波同步模块上的可变电 容C 34，u d 随C 34 减小而减小，随C 34 增大而增大（为什么？请思考），这说明环路 处于锁定状态。用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT，可以看到两个信号频率相等。若有频率计则可分别测量CAR和CAR-OUT频率。在 锁定状态下，向某一方向变化C 34，可使u d 由直流变为交流，CAR和CAR-OUT频 率不再相等，环路由锁定状态变为失锁。
锁相放大器实验 锁相放大器实验（Lock-in amplifier）,简称LIA。它是一个以相关器为核心的检测微弱信号仪器，它能在强噪声情况下检测微弱正弦的幅度和相位。学习本实验的目的是使同学了解锁相放大器的基本组成,掌握锁相放大器的正确使用方法。 一、锁相放大器的基本组成 结构框图如图1所示。它有四个主要部分组成:信号通道、参考通道、相关器（即相关检测器）和直流放大器。 图1 锁相放大器的基本结构框架 1.信号通道 信号通道包括:低噪音前置放大器、带通滤波器及可变增益交流放大器。 前置放大器用于对微弱信号的放大，主要指标是低噪音及一定的增益（100～1000倍）。 可变增益放大器是信号放大的主要部件，它必须有很宽的增益调节范围，以适应不同的信号的需要。例如，当输入信号幅度为10nV，而输出电表的满刻度为10V时，则仪器总增益为10V/10nV =109若直流放大器增益为10倍，前置放增益为103，则交流放大器的增益达105。 带通滤波器是任何一个锁相放大器中必须设置的部件，它的作用是对混在信号中的噪音进行滤波，尽量排除带外噪音。这样不仅可以避免PSD（相敏检波器）过载，而且可以进一步增加PSD输出信噪比，以确保微弱信号的精确测量。常用的带通滤波器有下列几种：
图2为一个高通滤波器和一个低通波滤 波器组成的带通滤波器，其滤波器的中心频 率f0及带宽B由高低滤波器的截止频率f c1 决定和f c2决定。锁相放大器中一般设置几种 截止频率，从而根据被测信号的频率来选择 合适的频率f0及带宽B。但是带宽滤波器带 宽不能过窄，否则，由于温度、电源电压波 动使信号频谱离开带通滤波器的通频带，使 输出下降。 为了消除电源50Hz的干扰，在信号通道 中常插入组带滤波器。 （2）同步外差技术 上述高低通滤波器的主要缺点是随着被 测信号频率的改变，高低通滤波器的参数也 要改变，高低通滤波器的参数也要改变，应 用很不方便。为此，要采用类似于收音机的 同步外差技术，原理框图如图3所示。这是一种单外差技术，PSD1实际上是一个混频器, 图2 高低通频滤波器原理，具有频率f0信号经放大滤波后进入混频PSD,其输出为和频项(f i+2f0)及差频f i,再经具有中心频率为f i带通滤波后,输出变为中频信号f i ， (幅度仍与被测信号的幅度成正比)再后,通过PSD2完成相敏检波后,得到解调输出U0,达到了对信号幅度的测量。外差方式的优点是采用固定中频f i 的带通滤波器,因而对不同被测信号频率均能适用;其次,由于采用固定中频带通滤波器,故滤波器的带宽及形状可以专门设计,所 以本电路具有很强的抑制噪音的能力。 图 3 同步外差技术原理框图 （3）同步积分技术
锁相放大器实验报告 摘要：本实验利用锁相放大器对信号中的噪声进行抑制并对其进行检测，了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成；掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。通过实验学会锁相放大器的使用，掌握利用锁相放大器来观察信号输入信号通道前后的幅值以及波形情况，获得相位与电压、放大倍数与电压的关系，并且通过噪声的观察知道如何消除噪声。 关键词：锁相放大器，微弱信号放大，PSD输出波形，谐波响应 引言：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的。方法，将微弱信号从噪声中提取出来。自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。 一、实验原理： 1、噪声 在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。这类信号检测的最终极限将取决于 测量设备的噪声，这里所说的噪声是指干扰被测信号的随机涨落的电压或电流。噪声的来 源非常广泛复杂，有的来自测量时的周围环境，如50Hz市电的干扰，空间的各种电磁波， 有的存在于测量仪器内部。在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1／f噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动的涨落现象引起的。从理论上讲涨落现象永远存 在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。 2、相干检测及相敏检波器 微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。相关反映了两个函 数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。相 关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。 设信号f1(t)为被检信号V s(t)和噪声V n(t)的叠加，f2(t)为与被检信号同步的参考信号 V (t)，二者的相关函数为： r
实验一 模拟锁相环模块 一、实验原理和电路说明 模拟锁相环模块在通信原理综合实验系统中可作为一个独立的模块进行测试。在系统工作中模拟锁相环将接收端的256KHz 时钟锁在发端的256KHz 的时钟上，来获得系统的同步时钟，如HDB3接收的同步时钟及后续电路同步时钟。 f 0=256K H z 64K H z U P 04U P 03B U P 02 U P 01512K H z 分频器÷4 分频器÷8 H D B 3 环路 滤波器 放大器图 2.1.1 模拟锁相环组成框图 T P P 02T E S T 跳线器K P 02V C O T P P 03T P P 06 T P P 04T P P 05 256K b itp s T P P 07带通滤波器 T P P 01 U P 03A 64K H z 该模块主要由模拟锁相环UP01（MC4046）、数字分频器UP02（74LS161）、D 触发器UP04（74LS74）、环路滤波器和由运放UP03（TEL2702）及阻容器件构成的输入带通滤波器（中心频率：256KHz ）组成。在UP01内部有一个振荡器与一个高速鉴相器组成。该模拟锁相环模块的框图见图2.1.1。因来自发端信道的HDB3码为归零码，归零码中含有256KHz 时钟分量，经UP03B 构成中心频率为256KHz 有源带通滤波器后，滤出256KHz 时钟信号，该信号再通过UP03A 放大，然后经UP04A 和UP04B 两个除二分频器（共四分频）变为64KHz 信号，进入UP01鉴相输入A 脚；VCO 输出的512KHz 输出信号经UP02进行八分频变为64KHz 信号，送入UP01的鉴相输入B 脚。经UP01内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01的压控振荡器输入端；WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。正常时，VCO 锁定在外来的256KHz 频率上。 模拟锁相环模块各跳线开关功能如下：
锁相放大器实验报告BY陈群 浙江师范大学实验报告实验名称锁相放大实验班级物理071 姓名陈群学号 07180116 同组人刘懿钧实验日期 09/12/1 室温气温锁相放大实验 摘要: 锁相放大器(Lock-in amplifier，LIA)自问世以来，在微弱信号检测方面显示 出优秀的性能，它能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高,在科学 研究的各个领域得到了广泛的应用。它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。 因此，学生掌握锁相放大技术的原理与应用具有重要的意义。关键词: 锁相放大器微弱信号 PSD信号 引言: 在进展一日千里的现代科技领域中，精密量测技术的发展对于近代工业有关键 性的影响。当我们研究的系统日趋庞大，交互作用复杂，但所欲了解的现象却越来越精细时，如何在一大堆讯号中获得我们真正想要的信息便成为一个重要的课题。一般的线性放大器可以将微弱的电子讯号放大，但若我们所要的信号中伴随着噪声信号，则两者都会一起放大，亦即此伴随的噪声无法滤除。尤其当噪声强度远大于所要的信号时，即必须藉助特殊的放大器以同时放大讯号并滤去噪声。锁相放大器是一种能测量极微弱的连续周期性信号的仪器。这些微弱信号可以小至数奈伏特(nV)，甚至隐藏在大它数千倍的噪声当中，亦能精确的测得。连续周期性信号与噪声不同之处，在于前者具有固定的频率及相位，
后者则杂乱无章。锁相放大器便是利用所谓”相位灵敏侦测(phase-sensitive detection，PSD)” 的技术以取得具有特定频率与相位的信号，而不同于此频率 的噪声则被抑制下来，使输出讯号不受噪声影响。 实验方案: 实验原理 锁相放大器的基本结构如图所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)等。 信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的平台，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。 参考通道对参考输入进行放大和衰减，以适应相敏检测器对幅度的要求。参考通道的另一个重要功能是对参考输入进行移相处理，以使各种不同的相移信号的检测结果达到最佳。 锁相放大器的核心部件是PSD，它以参考信号r(t)为基准，对有用信号x(t)进行相敏检测，从而实现频谱迁移过程。将x(t)的频谱由ω=ω0处，再经LPF滤除噪声，输出直流信号，其幅度与两路输入信号幅度及它们的相位有关。其输出 u0(t)对x(t)的幅度和相位都敏感，这样就达到了既鉴幅又鉴相的目的。因为LPF 的频带可以做得很窄，所以可使锁相放大器达到较大的SNIR。下图为不同相位时 相敏检测器的输出波形
.::锁相放大器实验简介::. 在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱信号。通常的方法是采用选频放大技术心频率与待测信号频率相同，从非线性器件直接产生的或外部引入的（干扰等）众多出有用分量，滤除其它无用分量。但此方法存在中心频率不稳定、带宽不能太窄及对力等缺点。 锁相放大器（Lock-in amplifier，LIA）自问世以来，在微弱信号检测方面显示出能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高,在科学研究的各个领域得到了用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪的检测和跟踪[10]。因此，学生掌握锁相放大技术的原理与应用具有重要的意义。 锁相放大器的基本结构如图所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器（PS （LPF）等。 信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。 参考通道对参考输入进行放大和衰减，以适应相敏检测器对幅度的要求。参考功能是对参考输入进行移相处理，以使各种不同的相移信号的检测结果达到最佳。 锁相放大器的核心部件是PSD，它以参考信号r(t)为基准，对有用信号x(t)进实现频谱迁移过程。将x(t)的频谱由ω=ω0处，再经LPF滤除噪声，输出直流信号入信号幅度及它们的相位有关。其输出u0(t)对x(t)的幅度和相位都敏感，这样就达相的目的。因为LPF的频带可以做得很窄，所以可使锁相放大器达到较大的SNIR。相敏检测器的输出波形:
不同相位时相敏检测器的波形 当两输入信号的振幅一定时，相敏检波器的输出与输入信号的相位差的余弦成检波后输出最大；而反相时为负最大；相差900或2700时为零。相敏检波器的原理比是输入信号与参考信号的乘积。 出信号 式中： 为被测信号频率；为随机噪声频率。通过PSD后，输出 加低通滤波器，其输出 若大于低通滤波器截止带宽，后一项不通过低通滤波器输出；反之输出。