锁相技术 (1)

机械原理锁相
机械原理：
机械原理是机械工程学的一个分支，主要研究机械的工作原理和设计，探讨机械的运动学、动力学、静力学、材料力学等方面的原理。

机械原理应用于机械工程领域，为机械的设计、制造、维护提供理论和技术支持。

锁相：
锁相是一种信号处理技术，用于提取和恢复信号的周期性特征。

锁相技术可以通过控制周期性信号的相位，使其与参考信号保持同步，从而准确地测量信号的频率、相位和幅值等参数。

锁相技术广泛应用于光电子学、通信、控制系统、测量仪器等领域。

锁相可以通过电路实现，也可以通过软件算法实现。

在锁相技术中，通常采用相位锁定环路（PLL）实现对周期性信号的同步。

PLL 由相位检测器、低通滤波器、振荡器和分频器等组成，可以自动跟踪信号相位的变化，保持参考信号和输入信号的同步。

锁相技术还可以应用于信号调制、频率合成、降噪等方面。

锁相技术知识点总结一、锁相放大器的原理锁相放大器是锁相技术的核心设备，其原理是利用相位敏感检测器（PSD）和低通滤波器实现对输入信号的相位测量和提取。

相位敏感检测器是将输入信号和参考信号相乘，然后通过低通滤波器滤除高频信号，得到一个与输入信号相位有关的直流信号。

通过对这个直流信号进行放大和数字化处理，就可以得到输入信号的相位信息。

锁相放大器的原理可以简单地用一个比喻来理解，就是通过将输入信号和参考信号进行“比对”，得到两者之间的相位差，然后通过放大和数字化处理来得到相位信息。

二、锁相放大器的工作原理锁相放大器的工作原理可以分为两个步骤：信号相位的检测和信号的放大和数字化处理。

在信号相位的检测步骤中，输入信号和参考信号经过相位敏感检测器进行相乘，并通过低通滤波器滤除高频信号，得到一个与输入信号相位有关的直流信号。

在信号的放大和数字化处理步骤中，直流信号经过放大器进行放大，然后经过模数转换器进行数字化处理，得到输入信号的相位信息。

整个过程中，锁相放大器可以通过调节参考信号的相位、频率和幅度来对输入信号进行精确的测量和控制。

三、锁相放大器的应用锁相放大器广泛应用于科学研究、通信、医学、生物化学、工业控制等领域。

在科学研究领域，锁相放大器常用于对微弱信号的测量和分析；在通信领域，锁相放大器常用于对调制信号的检测和解调；在医学领域，锁相放大器常用于生物信号的测量和分析；在生物化学领域，锁相放大器常用于对生物信号的检测和分析；在工业控制领域，锁相放大器常用于对工艺参数的测量和控制。

锁相放大器通过提高信噪比和测量精度，可以满足不同领域对信号测量和控制的需求。

四、锁相放大器的发展趋势随着科学技术的发展，锁相放大器的性能不断提高，应用领域不断拓展。

锁相放大器的发展趋势主要包括以下几个方面：一是性能的提高，包括测量精度的提高、频率范围的扩大、动态范围的增加等；二是功能的增强，包括新的信号处理算法、新的控制方式、新的接口标准等；三是应用领域的拓展，包括科学研究、通信、医学、生物化学、工业控制等领域的应用；四是结构的优化，包括体积的缩小、功耗的降低、成本的降低等。

锁相技术实验教学大纲一、实验教学目标与基本要求“锁相技术”是电子信息类专业高年级学生的专业选修课程。

锁相技术是实现相位自动控制的一门科学，锁相环路在通信、电视、雷达、测量仪表中得到了广泛的应用。

通过进行锁相技术实验课程，应使学生掌握锁相环的基本工作原理，了解锁相环的基本分析设计方法，了解锁相技术在电子和通信技术方面的应用，为以后在工程中的实际应用打下基础。

二、实验目的和内容1．实验一：基本锁相环实验实验目的：理解鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的工作原理，以及它在锁相环路中所起的作用实验内容：观察基本锁相环路的锁定与失锁状态，该状态输出信号特点，以及环路参数的设置与捕捉带和同步带的关系。

2．实验二：同步带与捕捉带的带宽测量实验/高阶锁相环实验实验目的：理解环路的同步过程和捕捉过程。

通过对同步带和捕捉带的测量，加深对锁相环工作原理的理解。

实验内容：1）测试锁相环路的同步带与捕捉带；2）计算锁相环路的同步带与捕捉带的带宽。

3．实验三：锁相式数字频率合成器实验实验目的：掌握锁相环频率合成器的组成和基本原理。

掌握不同分频比对输出的影响。

理解制约锁相环频率合成器输出信号频率范围和频道间隔的相关因素。

实验内容：在不同分频比的情况下，测量输入参考信号的波形及频率合成器输出信号的波形；测量并观察最小分频比和最大分频比。

4．实验四：锁相环解调FM实验实验目的：进一步掌握锁相环的工作原理；了解FM解调器的基本原理；会从波形结果中分析解调性能的好坏。

实验内容：观察锁相环的输入和输出信号(VCO输入信号)频谱，调整环路参数。

观察环路增益变化时VCO输入信号即解调信号的频谱，推测其对环路的影响。

三、实验要求1．课前准备：学生仔细研读实验指导书，规划准备实验内容，设计实验数据记录表，对相关知识进行预习和准备。

2．实验过程：按照实验指导书要求，分组或独立设计并完整实验内容。

3．考查方法1)平时上课无旷课记录10％2)各次实验结果正确，操作规范，动作快20％3)预习实验内容，遵守课堂纪律实验态度认真15％4)测验能独立完成实验操作过程，结果正确30％5)操作中对于教师的提问,回答是否正确10％6)实验报告作为参考15％7)超过三分之一课时旷课的学生，不给与本课程成绩四、实验教科书、参考书（一）实验教科书：《锁相技术实验指导书》，河南工业大学校内胶印，朱春华。

锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。

其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。

因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。

锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。

因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。

因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。

锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。

它由以下三个基本部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。

锁相环的工作原理：1. 压控振荡器的输出经过采集并分频；2. 和基准信号同时输入鉴相器；3. 鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压；4. 控制VCO，使它的频率改变；5. 这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。

锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。

当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。

这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。

当有频率为fR的参考信号输入时，uR 和uv同时加到鉴相器进行鉴相。

如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR，环路锁定。

环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。

锁相技术一、引言锁相，就是实现两个电信号相位同步的自动控制。

锁定放人器(LIA —L0ck —in AmDlmer)是锁相技术在微弱信号检测中的应用，本实验将研究锁定放大器的原理和应用。

实验的目的要求是：l 了解锁定放大器的工作原理，着重掌握相关器的原理。

2学会使用锁定放大器，并用它测量p ．n 结势垒电容。

二、原理(一)锁定放大器的基本原理本实验采用NL 一1锁定放大器，其原理框图见图12．k 锁定放大器是一种交流电压表，它能精确地测定深埋在噪声之中的周期重复信号的幅值及相位，这种抑制噪声的作用主要是通过相关器实现的，使用时，除要输入待测信号外，还要输入参考信号。

信号输入图12—1 NL 一1锁定放大器原理框图1、相关器 锁定放大器中的相关器如图12—2所示。

它由相乘电路和低通滤波器组成，相乘电路有许多形式，如开关型、电流控制型等等，NL 一1锁定放大器采用开关型。

低通滤波器具有压缩噪声带宽，让直流信号通过的作用，它抑制噪声的能力可以用“等效噪声带宽”图12—2相关器这一参数来描述，可以求出，图12—2中的低通滤波器的等效噪声带宽f V n=1144RC T= 低通滤波器的时间常数T=Rc ，T 越长则f V n 越小，但实际上由于漂移等问题，T 是不能太长的。

下面是相关器的工作原理。

相关器采用的是所谓相关接收技术。

设输入信号为()Vi t ，参考信号为()Vr t ，由于低通滤波器实际上是一个积分器，因此相关器的输出0V 是()Vi t 和()Vr t 乘积，再对时间积分，并取平均值有0V = ()1lim ()2T i t T V t Vr t dt T τ→∞--⎰g (12-1)式中t 是参考信号相对于输入信号的延迟时间，积分时间上限T 即低通滤波器的时间常数，通常把式(12．1)所表示的0V 称为()Vi t 和()Vr t 的相关函数，实现求相关函数的电子线路称为相关器或相关接收器。

第一章锁相环路的基本工作原理：1.锁相环路是一个闭环的相位控制系统；锁相环路（PLL）是一个相位跟踪系统，它建立了输出信号顺时相位与输入信号瞬时相位的控制关系。

2. 若输入信号是未调载波，θi(t)即为常数，是u i(t)的初始相位；若输入信号时角调制信号（包括调频调相），θi(t)即为时间的函数。

3．ωo是环内被控振荡器的自由振荡角频率；θo(t)是以自由振荡的载波相位ωo t为参考的顺时相位，在未受控制以前它是常数，在输入信号控制之下，θo(t)即为时间的函数。

4. 输入信号频率与环路自由振荡频率之差，称为环路的固有频率环路固有角频差：输入信号角频率ωi与环路自由振荡角频率ωo之差。

瞬时角频差：输入信号频率ωi与受控压控振荡器的频率ωv之差。

控制角频差：受控压控振荡器的频率ωv与自由振荡频率ωo之差。

三者之间的关系：瞬时频差=固有频差-控制频差。

5. 从输入信号加到锁相环路的输入端开始，一直到环路达到锁定的全过程，称为捕获过程。

6. 对一定环路来说，是否能通过捕获而进入同步完全取决于起始频差。

7. 锁定状态又叫同步状态：①同频②相位差固定8. 锁定之后无频差，这是锁相环路独特的优点。

9. 捕获时间T p的大小除决定于环路参数之外，还与起始状态有关。

10.若改变固有频差∆ωo，稳定相差θe(∞)会随之改变。

11.锁相环路基本构成：由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和电压控制振荡器（VCO）组成。

12.鉴相器是一个相位比较装置，鉴相器的电路总的可以分为两大类：第一类是相乘器电路，第二类是序列电路。

13.环路滤波器具有低通特性。

常见的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种。

（会推导它们的传输算子）14.电压振荡器是一个电压-频率变换装置，它的振荡频率应随输入控制电压u c(t)线性的变化。

15.压控振荡器应是一个具有线性控制特性的调频振荡器。

要求压控振荡器的开环噪声尽可能低，设计电路时应注意提高有载品质因素和适当增加振荡器激励功率，降低激励级的内阻和振荡管的噪声系数。

锁相技术课程设计1. 背景介绍锁相技术是一种非常重要的信号处理技术，广泛应用于精密测量、光学通信、雷达和无线电通信等领域。

为了让学生更好地学习和掌握锁相技术，我们设计了一门针对本科生的锁相技术课程。

在本文档中，我们将介绍该课程的教学目标、内容和教学方法。

2. 教学目标本课程旨在让学生掌握以下知识和能力：1.理解锁相技术的基本原理和应用场景。

2.掌握锁相放大器的工作原理和设计方法。

3.实现锁相放大器的电路和调试过程。

4.利用锁相放大器进行信号测量和处理。

5.熟悉常用的锁相技术应用案例，如相位测量、频率测量、光学干涉测量等。

3. 教学内容本课程的教学内容主要包括以下几部分：1.锁相技术基本原理：介绍锁相技术的概念、基本原理和应用场景。

2.锁相放大器的工作原理：讲解锁相放大器的基本构成和工作原理，包括相位检测器、低通滤波器等。

3.锁相放大器的设计方法：介绍常见的锁相放大器设计方法，包括基于二阶环路的设计和基于Lock-in放大器的设计等。

4.锁相放大器的电路实现：讲解锁相放大器的电路实现过程，包括电路的选型、元器件的选取、原理图的绘制和PCB的设计等。

5.锁相放大器的调试过程：介绍锁相放大器的调试步骤和注意事项，包括稳相、共模抑制等。

6.锁相技术应用案例：重点介绍锁相放大器在相位测量、频率测量、光学干涉测量等方面的应用。

4. 教学方法本课程采用“讲授+实践”相结合的教学方法。

具体包括以下授课形式：1.理论讲解：通过PPT和黑板讲解授课，引导学生理解锁相技术的基本原理和应用。

2.课堂互动：鼓励学生积极参与课堂互动，提问解答。

3.实验操作：每周会安排一次锁相放大器实验，让学生亲自动手实现锁相放大器的电路。

4.课程论文：要求学生选取相关课程内容，进行深入思考和研究，撰写一篇锁相技术课程相关的论文。

5. 教学评估本课程的教学评估主要分为以下几个方面：1.课堂讨论表现：评估学生在课堂互动中提问、解答问题的表现。

第一章 锁相环路的基本工作原理1-3 已知一阶环的 U ＝2V ， K ＝15KHz/V ， / 2 =2MHz ，问当输入频率分别为 d 0 0 1.98MHz 和 2.04MHz 的载波信号时，环路能否锁定？稳定相差多大？ 解：U 2V ， K 0 d15k rad s V 2 ， 2 2M rad/s2 1.98M rad/s ， 2 2.04M rad/s1 2 环路能够锁定的条件是 K固有频差 1： 2 ( 0.02)M 2 20k rad/s 01 1 0 固有频差 2： 2 0.04M 2 40k rad/s 02 2 0 环路增益： K U K 2 2 15k 2 30k rad/s d 0 对 处于同步带内，即 K ，环路锁定。

01 01 对 处于同步带外，即 K ，环路失锁。

02 02 01 arcsin 2 41.8 稳态相差 arc sine42。

K 3 1-4 已知一阶环的U ＝0.63V ， K ＝20kHz/V ， f ＝2.5MHz ，在输入载波信号作用下环 d 0 0 路锁定，控制频差等于 10KHz 。

问：输入信号频率 为多大？环路控制电压u (t ) =？稳态 i c 相差 ( ) =？e解： K 0220k rad/ s V ， 控制 2 10k rad/s ，环路增益 K U K 0.63 2 20K 2 12.6k rad/s d 0环路锁定时，固有频差等于控制频差，即 ＝ 控制 2 10 k rad/s =f 0 2.5MHz ， = 2 2500K rad/s固有频差 0 0 i= 2 2500k+2 10K = 2 2510k =5.02 10 6rad/si 0 0f 2.51MHzi2 10K 0.5V2 20K因为 控制 u t K 0 控制电压u t Kc c 02 10k 10sin e 2 12.6k 0.790 K 12.6 稳态相差earcsin 0.79 52.5 1-5 一阶环，设开环时u i (t ) 0.2sin 2 10 t (V )，u (t ) cos 2 10 t (V )3 4 i 0式中 、 为常数。

锁相技术期末总结一、引言锁相技术是一种广泛应用于现代电子技术中的信号处理方法，主要用于提取信号中的相位信息。

它通过对输入信号与本地参考信号进行比较和修正，实现对信号相位的精确测量和调整。

锁相技术的应用领域非常广泛，包括无线通信、激光测距、声纳系统、医学影像等。

在本次课程学习中，我们深入了解了锁相技术的原理、应用和实现方法，并通过实践操作进一步巩固了对锁相技术的理解。

二、锁相技术的原理和基本概念锁相技术的原理是基于反馈控制和频率调制的，通过频率调制输入信号和本地参考信号，实现对信号相位的精确测量和调整。

1. 相位差测量原理通过将输入信号与本地参考信号进行乘法运算，并通过低通滤波器和放大器对乘积信号进行处理，最终得到与相位差成正比的直流电压。

根据这个原理，我们可以通过测量这个直流电压来得到输入信号与参考信号之间的相位差。

2. 锁相循环原理锁相循环是指通过反馈控制将输入信号的相位差调整到指定值的过程。

锁相循环由相位比较器、环路滤波器、VCO（Voltage Controlled Oscillator）和反馈网络等组成。

相位比较器用于比较输入信号的相位差和参考信号的相位差，输出误差信号；环路滤波器用于对误差信号进行滤波；VCO用于将滤波后的误差信号转换成频率信号，并与参考信号进行混频；反馈网络将VCO的输出作为参考信号送回相位比较器，形成一个闭环控制系统。

三、锁相技术的应用锁相技术在各个领域中都有广泛的应用，下面主要介绍其中几个典型的应用。

1. 通信领域锁相技术在通信领域中的应用主要包括载波恢复、时钟恢复和时钟同步。

在接收端，通过锁相环的频率跟踪功能可以自适应地追踪和调整接收信号的频率，从而实现载波恢复。

而由于通信系统中的时钟信号也是通过调制到信号中进行传输的，因此通过锁相循环也可以实现对时钟信号的恢复和同步。

2. 激光测距锁相技术在激光测距领域中被广泛应用。

激光测距的原理是利用激光光束射到目标上并接收反射光，通过测量光传播的时间来计算目标的距离。

锁定成像技术原理
锁定成像技术是一种利用定位及成像的原理来提高目标检测能力的技术。

这种技术可用于电子设备、医疗设备、安防设备和航空航天等领域中。

下面是对锁定成像技术原理的简介。

锁定成像技术的原理是基于电磁波的传播及反射特性，利用雷达或激光器等装置发出一定的信号，再通过接收设备接收相应的反射信号，并锁定反射信号以实现成像。

即使目标在移动或环境条件变化，锁定成像技术仍然能够依靠其自身的高灵敏度、高分辨率的优势进行有效探测、识别。

锁定成像技术还可利用自动跟踪功能实现实时监控目标运动，根据目标移动的轨迹预测其未来运行轨迹，从而方便及时采取措施。

常见的锁定成像技术包括激光制导雷达技术（Ladar）和光学成像雷达技术（Eelrad）等。

其中激光制导雷达技术是在激光束的照射下，利用激光束与目标的反射信号来获取目标的位置信息，并结合传统雷达技术的工作原理来实现目标跟踪。

光学成像雷达技术是利用高清相机成像技术捕捉目标图像并进行处理，获得高精度目标信息，在高速运动时仍能保持连续的成像。

两种技术均可实现高精度、高速度地探测、跟踪目标，具有广泛应用前景。

锁定成像技术可以应用于多种领域，例如目标检测、安防、航空航天等。

在目标检测中，锁定成像技术可用于实时监测目标，实现目标精确定位和跟踪。

在安防领域，锁定成像技术可用于实时监管区域内的动态变化，便于及时采取措施。

在航空航天领域中，锁定成像技术可用于实时掌握飞行器的的精确位置信息，并判断飞行器是否存在异常情况，从而保障航空飞行的安全性。

总之，锁定成像技术具有高精度、高速度、快速跟踪等特点，在多个领域中都有广泛应用前景。