锁相放大器 - 北京师范大学

【关键字】精品————————————————————————摘要锁定缩小器（LIA）是一种检测微弱信号的专用电路。

它能在较强干扰背景条件下，对特定频率信号进行有效测量。

系统是以平衡调制器AD630构成的相敏检波电路为核心，由纯电阻分压模块、被测微弱信号与背景噪声叠加的加法器及交流缩小器模块、参考信号整形移相模块、具有锁相功能的微弱信号检测模块、单片机有效值检测显示模块等组成。

被测微小信号与背景噪声叠加后，进行交流缩小和带通滤波器与具有参考信号在相敏检波器中叠加，相敏检波器可以在背景噪声中获取与参考信号同频率的有用信号并整流输出，然后对该输出信号进行低通滤波和直流缩小后，由单片机AD检测并在液晶上显示出来。

整形移相模块可以用来调整参考信号与被测信号的相位，使之同相。

该系统具有灵敏度高、测量较准确等优点。

关键字：锁相缩小器，相敏检波器，移相，有效值检测目录一、系统方案选择与论证 (1)1.2设计思路与框图 (2)二、系统分析与计算 (3)2.1 纯电阻分压电路 (3)2.2 加法器 (3)2.3 交流缩小器 (4)2.4 带通滤波器 (5)2.5 相敏检波器 (6)2.6 低通滤波器 (6)2.7 参考通道 (7)2.8 输出显示 (8)2.8.2 程序流程图 (8)三、测试方案与测试结果 (8)3.1检测方法与结果 (8)3.2测试结果分析 (9)四、实物演示 (9)六、参考文献 (9)锁相缩小器的设计（C题）锁相缩小器是一种在较强干扰背景条件下，检测微弱信号电气参数的专用电路。

一、系统方案选择与论证锁相缩小器的核心在于检测微弱信号的相敏检波器设计。

相敏检波器是一种根据信号的相位来提取有用信号的处理电路，在外部同频控制信号作用下，用控制信号来截取输入信号，相敏检波器输出的直流分量为反映输入信号与控制信号相位差的直流电压，经低通滤波器LPF滤除高频分量后得到直流输出信号（如图1）。

图1 相敏检波器相敏检波器有多种实现方案：方案一：运算缩小器法图2 运算缩小器实现的相敏检波器该方案（如图2）主要由运算缩小器和电子开关组成。

锁相放大器的工作原理简介
锁相放大器是一种电子测量仪器，用于提取和放大弱信号，并抵消噪声。

其工作原理基于相位敏感检测和反馈控制。

锁相放大器的工作过程可以分为以下几个步骤：
1. 输入信号与参考信号的混频：输入信号与一个参考信号（通常为正弦波）进行混频，产生直流分量和交流分量。

2. 低通滤波：将混频后的信号通过低通滤波器，滤除高频噪声。

3. 相位检测：将滤波后的信号输入相位检测器，对信号进行相位解调。

相位检测器通常使用锁相环或乘法器来将输入信号分解为幅度和相位信息。

4. 反馈控制：相位检测器输出的相位信息与参考信号的相位进行比较，并通过反馈控制的方式驱动振荡器相位与参考信号相一致。

这种反馈控制的方式将输入信号与参考信号之间的相位差最小化，从而使得输出信号准确地提取和放大输入信号的特定频率成分。

5. 放大输出：将反馈控制后的信号经过放大器放大，以增强信号的幅度。

通过以上步骤，锁相放大器能够提取出输入信号的特定频率成分，并提供一个准
确测量的结果。

其主要应用在精密测量、光学实验、生物医学、信号处理等领域。

锁相放大器【摘要】锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩旳措施，将微弱信号从噪声中提取出来。

本试验通过测量锁相放大器旳工作参数和特性，掌握有关检测原理以及锁相放大器旳对旳使用措施。

【关键词】锁相放大器、微弱信号放大一引言伴随科学技术旳发展，微弱信号旳检测越来越重要。

微弱信号检测是运用电子学、信息论、物理学和电子计算机旳综合技术。

它是在认识噪声与信号旳物理特性和有关性旳基础上，把被噪声沉没旳有用信号提取出来旳一门新兴技术学科。

锁相放大器就是检测沉没在噪声中微弱信号旳仪器。

它可用于测量交流信号旳幅度和位相，有极强旳克制干扰和噪声旳能力，极高旳敏捷度，可检测毫微伏量级旳微弱信号。

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旳诸多领域。

二、试验原理1、噪声在物理学旳许多测量中，常常碰到极微弱旳信号。

此类信号检测旳最终极限将取决于测量设备旳噪声，这里所说旳噪声是指干扰被测信号旳随机涨落旳电压或电流。

噪声旳来源非常广泛复杂，有旳来自测量时旳周围环境，如 50Hz 市电旳干扰，空间旳多种电磁波，有旳存在于测量仪器内部。

在电子设备中重要有三类噪声：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旳涨落现象引起旳。

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旳基础是被测信号在时间上具有前后有关性旳特点。

有关反应了两个函∞ 数有一定旳关系，假如两个函数旳乘积对时间旳积分不为零，则表明这两个函数有关。

有 关按概念分为自有关和互有关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强旳互有关检测。

设信号 f 1(t )为被检信号 V s (t )和噪声 V n (t )旳叠加，f 2(t )为与被检信号同步旳参照信号V r (t )，两者旳有关函数为：R (τ) = lim1Tf (t )⋅ f (t -τ)d t = lim1T[V (t )+ V (t )]⋅V (t -τ)d t12T →∞2T ⎰-T 12T →∞2T ⎰-Tsnr= R sr (τ)+ R nr (τ)由于噪声 V n (τ)和参照信号 V r (τ)不有关，故 R nr (τ)=0，因此 R 12(τ)=R sr (τ)。

锁相放大器原理锁相放大器是一种高灵敏度、高稳定性的测量仪器，主要用于测量高精度的弱信号，如光信号和电信号。

其原理是利用参考信号和待测信号的相位差，进行频率选择和信号增益放大。

锁相放大器基本原理是通过一个正弦参考信号和待测信号在相位上的比较来测量待测信号的幅度和相位差。

在锁相放大器中，参考信号经过参考信号发生器产生，同时作为激励信号送入模拟电路，待测信号则在探测器中测量得到，然后送入锁相放大器。

在锁相放大器中，待测信号与参考信号混频，同时将混频信号分为正弦和余弦两路。

正弦和余弦两路信号分别经过相移器和低通滤波器，得到相位和幅度信息，最终输出通过运算放大器得到的结果。

锁相放大器最大特点是可以通过不同相位角的乘法器来进行相位选择，使得信号在不同相角的幅度值得到不同的权重，从而提高锁相放大器的灵敏度和稳定性。

锁相放大器主要有四个部分组成：参考信号发生器、混频器、相位选择器和低通滤波器。

参考信号发生器用于产生基准信号以及参考信号，基准信号一般是一定频率和幅度的正弦波。

混频器用于将待测信号与参考信号进行混频，在混频时需要注意保证混频信号在频率范围内。

相位选择器一般包括相移器、乘法器、运算放大器等，用于对混频信号进行相位角的选择，从而提高锁相放大器的灵敏度和稳定性。

低通滤波器主要用于滤除混频信号中的高频噪声，提高测量精度。

锁相放大器具有很多优点。

首先，相比于其他测量仪器，锁相放大器具有较高的灵敏度和低的噪声；其次，相位选择器可以实现对混频信号相位的选取，提高了系统的稳定性；最后，锁相放大器具备强抗干扰性，能够有效地抑制外部干扰信号，提高测量精度。

锁相放大器广泛应用于生物医学、光学、物理、电学等领域。

其中，在光学领域，锁相放大器主要用于实现光学检测和光学成像；在电学领域，锁相放大器主要用于检测直流信号和交流信号的分量，同时也可以用于测量电容、电感和电阻等电学元件的参数。

在物理领域，锁相放大器主要用于精密时间测量和振动测量等领域。

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：（1） 高低通滤波器图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f 0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f 0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。

锁相放大器1，基本结构（如右图所示）“于上方的signal input 信号输入端输入待测信号，先后经放大和带通滤波后” 与“从下方的reference input 参考信号输入端输入的设定过相位的参考信号”共同输入乘法器得到的结果再通过低通滤波器滤波后输出。

2，原理锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频率（参数输入频率）的信号幅值。

而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。

两个正弦信号，频率都为1H z，有90度相位差，用乘法器相乘得到的结果是一个有直流偏量的正弦信号：如果是一个1Hz和一个1.1Hz的信号相乘，用乘法器相乘得到的结果是：从上面的分析看来，只有与参考信号频率完全一致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏量，其他信号在输出端都是交流信号。

如果在乘法器的输出端加一个低通滤波器，那么所有的交流信号分量全部被滤掉，剩下的直流分量就只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。

3.用途即使有用的信号被淹没在噪声信号里面，即使噪声信号比有用的信号大很多，只要知道有用的信号的频率值，就能准确地测量出这个信号的幅值。

锁相放大器原理锁相放大器是以相干检测技术为基础，利用参考信号频率与输入输入信号频率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声中提取出有用信号，使得测量精度大大提高，而它的核心部件为相敏检测器（phase sensitive detector ，简称PSD ，又称相关器），图1所示为锁相放大器的原理框图。

图1锁相放大器原理图相敏检测器是由乘法器和积分器组成，其中乘法器一般采用开关乘法器，积分器通常由低通滤波器组成，图2给出相敏检测器的构成原理图。

图2相敏检测器原理图设待测信号()()()()()t n t cos V t n t V t V s s s s1s ++=+=ϕω，其中)t (V s1为待测信号中的有效信号，n ()t 为噪声。

锁相放大器的使用方法与注意事项引言：在现代科学研究和工程应用中，锁相放大器作为一种重要的电子测量仪器被广泛使用。

它能够提取出微弱信号，并将其放大，同时抑制噪声的干扰，从而实现高精度的测量。

本文将介绍锁相放大器的使用方法以及需要注意的事项。

一、锁相放大器的基本原理锁相放大器是利用同步相位侦测原理来提高信号的测量灵敏度。

它通过将待测信号与参考信号进行相位比较和放大，使得信号的幅值提高，并消除噪声的影响。

其基本原理是将待测信号与参考信号进行乘积运算，再通过低通滤波器得到直流分量，实现信号的提取和放大。

二、锁相放大器的使用步骤1. 连接与设置首先，将待测信号源与锁相放大器相连，并确保电缆连接良好。

然后，设置参考信号源，调节其频率和幅度，使之满足实际应用需求。

同时，还需要设置滤波器和增益控制参数，以获得较好的测量结果。

2. 校准和调节在使用锁相放大器前，必须进行校准和调节。

校准时，将参考信号源设置为0相位，并调节放大倍数为1。

然后，将待测信号输入锁相放大器，调节相位补偿器，使得待测信号与参考信号的相位差最小。

调节完成后，可进一步调整放大倍数，以达到最佳测量效果。

3. 信号测量在进行信号测量时，先选择合适的测量模式，如调幅、调频或调相等。

然后，根据实际测量需求，选择合适的滤波器类型和频率，以去除噪声和杂散信号。

调节相位和增益控制参数，使得信号在正确的范围内，并满足测量要求。

三、锁相放大器使用中需要注意的事项1. 信号源的稳定性锁相放大器对信号源的稳定性要求较高。

因此，在进行测量前，需确保信号源的输出功率、频率、相位等参数稳定，并进行必要的校准和调节。

2. 外部干扰的排除由于环境中存在各种干扰源，如电磁干扰、机械振动等，测量时需采取措施排除这些干扰。

例如，使用屏蔽箱或增加信号隔离器等。

3. 正确设置滤波器滤波器的选择和设置直接影响测量结果的精度和稳定性。

应根据待测信号的频率特性和噪声的频谱分布，选择合适的滤波器类型和频率带宽。

锁相放大器锁相放大器是一种高性能的通用测量仪器,它能精确地测量被掩埋在噪音中的微弱信号。

随着科学技术的飞速发展,在电子学、信息科学、光学、电磁学、低温物理等许多领域,越来越需要测量深埋在噪音中的微弱信号。

本文介绍了一种低成本,灵活性高的缩相器。

特别在系统检测精确、性能指标、稳定性与抗干扰方面,达到理想效果。

一、锁相放大器 锁相放大器是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器。

它作为一种信号恢复仪器,在弱信号测量中的重要作用,已经引起人们越来越广泛的重视。

1·锁相放大器的研究背景 锁相放大器(Lock- in Amplifier, LIA)不仅能像选频放大器那样利用信号的频率特性,还抓住了信号的相位特点,即“锁定”了被测信号的相位。

它的等效噪声带宽非常窄,一般可以做到1mHz,远比选频放大器的带宽窄。

因此,基于锁相放大器所具有的输出稳定性、强有力滤除噪声的能力以及能将深埋在噪声中的微弱信号提取出来并加以放大的优良特性,应当选用锁相放大器。

2·锁相放大器的理论分析与设计要求 (1)锁相放大器的工作原理 锁相放大器采用的是外差式振荡技术,它把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。

即利用锁相放大器中的信号相关原理,对两个混有噪声的周期信号进行相乘和积分处理后,将信号从噪声中检测出来,并达到通过互相关运算削弱噪声影响的目的。

设是伴有噪声的周期信号,即X(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωt+φ)+N(t) 其中,N(t)为随机噪声,S(t)为有用信号,A为其幅值,角频率为ω,初相角为φ。

参考正弦信号为:Y(t)=Bsin(ωt+τ)+M(t) 其中,B为其幅值,τ是时间位移,M(t)为随机噪声。

则两者的相关函数为: 由于在被测量的信号里所包含的各种信号分量中,参考信号Y(t)的频率只与输入的有用信号频率相关,与随机噪声N(t)的频率不相关,且有用信号S(t)与随机噪声M (t)之间及噪声与噪声之间的频率也均相互独立,所以它们的相关函数为零,即Rny(τ)=0 于是,就有从而,令锁相放大器实现了从噪声中提取有用信号的目的。

锁相放大器原理
锁相放大器原理是一种在测量系统中应用的电子技术，用于提取和放大输入信号中特定频率的成分。

该原理基于相位锁定环路的工作原理，通过与参考信号进行比较和处理，从而实现对输入信号的精确测量。

锁相放大器由几个主要部分组成，包括参考信号源、混频器、低通滤波器、放大器和相位锁定环路。

首先，参考信号源产生一个稳定的频率和相位的信号，作为参考信号输入到混频器中。

混频器将输入信号与参考信号进行乘积运算，产生一个包含频率和相位差的交流信号。

接下来，低通滤波器过滤掉高频成分，只保留所需的频率成分。

通过放大器对滤波后的信号进行放大，以增强信号的强度。

最后，信号被送回相位锁定环路，与参考信号进行比较并进行反馈调节。

相位锁定环路通过控制输入信号的相位，使其与参考信号同步，从而实现对输入信号的精确测量。

锁相放大器的工作原理基于负反馈控制，通过持续的相位比较和调节，使输入信号的相位与参考信号保持一致。

通过这种方式，锁相放大器可以提取和放大输入信号中特定频率的成分，从而提高信号的测量精度和灵敏度。

总之，锁相放大器利用相位锁定环路的原理，通过与参考信号的比较和调节，实现对输入信号的精确测量。

它在科学研究、精密测量、信号处理等领域具有广泛的应用。

锁相放大器的工作原理锁相放大器是一种用于测量微弱信号的电子仪器，它的工作原理是基于相位敏感放大和锁相检测技术。

锁相放大器广泛应用于科学研究、精密测量和信号处理等领域。

我们来了解一下相位敏感放大技术。

在信号处理中，相位是指信号波形与参考波形之间的时间差。

相位敏感放大器通过测量信号与参考信号之间的相位差，并将其放大，从而实现对微弱信号的提取和放大。

相位敏感放大器的核心部件是相位敏感放大器，它可以将微弱信号的相位差转换为电压差，并通过放大电路进行信号放大。

接下来，我们来介绍锁相检测技术。

锁相检测是一种基于相位比较的信号处理方法，它通过比较输入信号与参考信号的相位差来提取信号的幅度和相位信息。

锁相放大器中的锁相检测器可以将输入信号与参考信号进行相位比较，并输出相位差的大小和方向。

锁相放大器还配备了低通滤波器，用于去除噪声和杂散信号，从而提高信号的信噪比。

锁相放大器的工作原理可以用以下几个步骤来描述：1. 输入信号与参考信号的相位比较：锁相放大器将输入信号与参考信号进行相位比较，得到相位差的大小和方向。

2. 信号调理：锁相放大器通过相位敏感放大器将相位差转换为电压差，并进行放大。

在此过程中，锁相放大器还对信号进行调理，去除噪声和杂散信号。

3. 相位锁定：锁相放大器通过反馈控制，将相位差稳定在一个预定的值。

通过不断调整参考信号的相位，锁相放大器可以实现对输入信号的相位锁定。

4. 信号提取：锁相放大器根据相位差的大小和方向，提取输入信号的幅度和相位信息。

锁相放大器还可以通过调整参考信号的幅度和相位，来实现对输入信号的放大和调制。

总结一下，锁相放大器是一种基于相位敏感放大和锁相检测技术的仪器，用于测量微弱信号。

它通过相位敏感放大器将微弱信号的相位差转换为电压差，并通过锁相检测器提取信号的幅度和相位信息。

锁相放大器的工作原理是通过相位锁定和信号提取实现的。

锁相放大器在科学研究、精密测量和信号处理等领域具有重要的应用价值。

题目：锁相放大器的原理及应用姓名：单位：学号：联系方式：摘要锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。

应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。

本文主要介绍了锁相放大器原理，发展过程，基本组成，重要参数和在各方面的应用。

关键词：锁相放大器，噪声，傅立叶变换一、锁相放大器的定义锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。

它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。

因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。

此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。

锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。

应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。

二、锁相放大器的历史上世纪六十年代美国公司研制出第一台利用模拟电路实现微弱正弦信号测量的锁相放大器，使微弱信号检测技术突破性飞越，为解决大量电子测量做出贡献，在物质表面组份分析以及表面电子能态研宄方面有重大意义。

自上世纪后期开始，国内外越来越多的人开始研宄锁相放大器，随着科技的发展，越来越多性能优良的锁相放大器被研发出来，在各个领域应用广泛，极大程度上推动了各个学科的发展，目前，从提高系统的灵敏度、减小噪声带宽、提高检测精度、改善信噪比上都有了很大的进步。

近年来，数字电子技术飞速发展，锁相放大器也在这一契机下，出现了模数混合的锁相放大器与数字锁相放大器，这在一定程度上弥补了由于物理器件造成的模拟锁相放大器的缺点，极大改善了性能，提升了研究层次与扩大了应用范围。

锁相放大器（仅供参考对比）日期：今年最新指导教师：aunt 王【摘要】本实验利用ND-501型微弱信号检测实验综合装置，对锁相放大器的参考信号通道，相敏检波器的特性进行了研究，并且测量和观察了相关器对谐波的响应、对不相关信号和噪声的抑制，由测量得到的数据计算出输入和输出信噪比，以及信噪比改善。

关键词：锁相放大器相敏检波器相关器谐波噪声信噪比一、引言锁相放大器（LIA）常用来检测淹没在噪声中的微弱信号，它利用待测信号和参考信号的相关性，采用互相关检测原理实现信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。

自1962年第一台锁相放大器问世以来，几十年的发展，目前的锁相放大器已经能够从强噪声背景中检测出几纳伏（nV）的交流信号，成为了广泛应用于物理、化学、生物、电信、医学等现代科学技术领域必不可少的常用仪器。

虽然它不能像光子计数器那样测量极微弱的光信号，但是它能测量宽范围内的光信号，而且不限于测量光信号。

二、实验原理1、相关接收被测信号和参考信号在时间上具有前后相关性是微弱信号检测的基础，相关即两个函数间存在一定关系，按照概念可分为自相关和互相关，检测微弱信号一般采用抗干扰能力较强的互相关检测。

线性相关常采用相关函数来表征，不相关的两函数相关函数为零。

利用参考信号与有用信号具有相关性，参考信号与噪声不具有相关性的性质。

通过互相关运算，就可以削弱噪声对有用信号的影响，具体来说，就是对混有噪声的待测信号和参考信号进行相乘和积分处理，就能够把掩埋在任意大噪声背景中的微弱有用信号检测出来。

根据这一原理设计的相干检测器（相关器）构成了锁相放大器的核心部分。

2、相干检测的实现实现求参考信号与被测信号间的相关函数的电子线路称为相干检测器（相关器），它有乘法器和积分器两部分组成。

其中乘法器分模拟式乘法器（同步检测器）和开关式乘法器（相敏检波器，PSD，本实验采用），常用方波作为参考信号。

积分器常用RC低通滤波器（LPF）组成。