锁相放大器的工作原理.pptx

锁相放大器————————————————————————摘要锁定放大器（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放大器模块、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，进行交流放大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放大后，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：锁相放大器，相敏检波器，移相，有效值检测目录一、系统方案选择与论证............... 错误!未定义书签。

1.2设计思路与框图 0二、系统分析与计算 (1)2.1 纯电阻分压电路 (1)2.2 加法器 (1)2.3 交流放大器 (2)2.4 带通滤波器 (3)2.5 相敏检波器 (4)2.6 低通滤波器 (4)2.7 参考通道 (5)2.8 输出显示.................... 错误!未定义书签。

2.8.2 程序流程图........... 错误!未定义书签。

三、测试方案与测试结果 (6)3.1检测方法与结果 (6)3.2测试结果分析 (9)四、实物演示......................... 错误!未定义书签。

六、参考文献 (9)于负半周时，场效应管导通，差分放大器相当于一个反相比例放大电路，输出为-S(t)，这样在输出端看到的就是一个直流信号，类似于S(t)经过整流后的效果。

方案二：数字相敏检波器图3 数字相敏检波该方案其实质相当于一个乘法器和一个积分器（如图3）。

实验2－2微弱信号检测技术随着科学技术的发展，使测量技术得到日趋完善的发展，同时也提出更高要求。

尤其是一些极端条件下的测量已成为现代认识自然的主要手段，由于微弱信号检测（weak signal detection）能测量传统观念认为不能测量的微弱量，所以才获得迅速的发展和普遍的重视，微弱信号检测已逐渐形成一门边缘学科学。

锁相放大器（lock-in. Amplifier 简称LIA）就是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器，它可用于测量交流信号的幅度和相位，有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度，可测量毫微伏量级的微弱信号，自1962年美国PARC第一个相干检测的锁相放大器问世以来，锁相放大器有了迅速的发展，性能指标有了很大的提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域，本实验使用128A用电容电压法测量P-N结的杂质浓度分布和PN结电容，即是一个很好的应用实例。

一实验原理（一）PN结电容及杂质浓度分布在半导体的设计和制造过程中，如何控制半导体内部的杂质浓度分布，从而达到对器件电学性能的要求，是半导体材料和器件的基本测量之一，本实验是用电容—电压法测量P-N结的杂质浓度分布，具有简单快捷，又不破坏样品的特点，是较常用的测量方法之一。

它仅能反映P-N结轻掺杂一边的杂质分布。

P-N结是由P型和N半导体“接触”形成的，交界之处的杂质浓度可以是突变的，或是缓慢的，在结的界面处形成势垒区，也称空间电荷区，如（图2－2—1 a、b）所示。

P-N结外加电压时，势垒区的空间电荷数量将随外加电压变化，与电容器的作用相同，这种由势垒区电荷变化引起的电容称为势垒电容另外，P-N结加正向偏压时，P区和N区的空穴和电子各自对各自向对方发散，并能在对方（扩散区）形成一定的电荷积累，积累电荷的多少也随外加电压而变化，称为扩散电容图2－2—1 突变结(a)和缓变结（b）所以，P-N结的电容与一般电容不同，不是恒定不变的，要随外加电压的变化而变化。

锁相放大器的工作原理一．什么是锁相放大器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。

锁相放大器实物图二．锁相放大器的构成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，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。

锁相放大器的基本组成三．锁相放大器的应用锁相放大器可用于检测到在杂噪信号中被埋没的微弱的信号。

采用选频放大技术，使放大器的中心频率f 0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。

后来发展了锁相放大技术。

它利用等测信号和参与信号的相互关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。

目前，锁相放大技术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。

应用一:用于测量现场尘粒浓度。

尘粒浓度测量仪采用光电收发对称式探测头，能够对温度、振动、器件老化等因素进行抑制。

光信号在烟道中的衰减与烟道中尘粒浓度关系遵从朗伯-比尔定律。

当烟道内尘粒浓度增大到一定程度，使得光信号大幅衰减，环境杂散光等成为不可忽视的噪声信号。

应用二：用于红外线温度传感器的低温范围拓展。

LIA锁相放大器王莲20140916 光学工程锁相放大器的工作原理相关检测及相关检测器。

所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）；如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。

由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。

如果f1(t)和f2(t-τ)为两个功率有限信号，刚可定义它们的互相关函数为(3.1.1)令f1(t)=V1(t)+n1(t)，f2(t)=V1(t)+n2(t)，其中n1(t)和n2(t)分别代表与待测信号V1(t)及参考信号V2(t)混在一起的噪声，则式（3.1.1）可写成（3.1.2）式中Rsr(τ)，Rr2(τ)，Rr1(τ)，R12(τ)分别是两信号之间，信号对噪声及噪声之间的函数。

由于噪声的频率和相位都是随机量，他们的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。

所以，可认为信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的，他们的互相关函数为零。

于是式（3.1.2）可写成（3.1.3）上式表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。

根据此原理设计的相关检测器见图（3.1.1）所示。

它是锁相放大器的心脏。

图3.1.1相关检测器通常相关检测器由乘法器和积分器构成。

乘法器有两种：一种是模拟式乘法器：另一种是开头式乘法器，常采用方波作参考信号，而积分通常由RC低通滤波器构成。

现在令式（3.1.3）中两个信号均为正弦波：等测信号为 Vs(t)=escosωt;参考信号为 Vr(t-τ)=ercos[(ω+Δω)t+φ].在式中r为两个信号的延迟时间。

它们进入乘法器后变换输出为V(t)，即由原来以ω为中心频率的频谱变换成以Δω及和频2ω为中心的两个频谱，通过低通滤波器（简称LPF）后，和频信号被滤去，于是经LPF输出的信号为若两信号频率相同（这符合大多数实验条件），则Δω=0，上式变为（3.1.4）式中K是与低通滤波器的传输系数有关的常数。

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。

锁相放大的原理及应用1. 介绍锁相放大（lock-in amplifier）是一种用于测量弱信号的仪器，它可以将噪音和背景干扰最小化，从而提高测量的精确度。

锁相放大器通过将测量信号与参考信号进行相位同步，然后进行放大，并进行滤波处理，最终得到测量结果。

2. 原理锁相放大器的原理可以通过以下几个步骤来解释：2.1 参考信号生成锁相放大器的工作需要一个稳定的参考信号。

参考信号可以通过外部信号源或内部信号源产生。

外部信号源一般是一个高稳定度、低噪音的信号发生器，而内部信号源则是锁相放大器内部的振荡器。

2.2 信号混频锁相放大器将测量信号与参考信号进行混频。

混频是指将两个信号相乘，得到它们的乘积信号。

在锁相放大器中，混频的目的是将测量信号的频率转换到低频范围，以便进行后续的滤波处理。

2.3 相位同步和滤波混频后的信号经过低通滤波器，滤除高频成分和噪音。

滤波后，信号与参考信号的相位已经同步，滤波器输出的信号可以看作是测量信号的放大版。

2.4 信号检测和放大经过滤波器的输出信号进一步经过检测器进行波形整形，得到直流信号。

然后，该信号经过放大器进行放大，得到最终的测量结果。

3. 应用3.1 光学测量在光学测量领域，锁相放大器常用于测量光学偏振、光学谱、光强和光散射等参数。

由于锁相放大器可以提高测量信号的信噪比，因此可以更精确地测量光学信号的细微变化。

3.2 生物医学研究锁相放大器在生物医学研究中也有广泛的应用。

例如，在生物光学成像中，锁相放大器可以用来提取和放大光学信号，从而获得更清晰的图像。

锁相放大器还可以用于生物传感器的信号放大和处理。

3.3 电化学分析锁相放大器在电化学分析领域也扮演着重要的角色。

锁相放大器可以用于测量电流、电压、电阻和电容等电化学参数。

通过锁相放大器的放大和滤波功能，可以提高电化学分析的精度和稳定性。

3.4 物理实验除了以上应用领域，锁相放大器还被广泛应用于物理实验中。

例如，它可以用于测量磁场、温度、压力等物理参数。