基于AD630的双相锁相放大器设计

　　锁相放大器是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。锁相放大器可在比被测光信号强100dB的外来干扰中检测出目的信号。从锁相放大器问世以来，由于其在微弱信号检测方面的优越性能，在科学研究的各个领域得到广泛的应用。

　　锁相放大器有三个特点：用调制器将直流或渐变信号进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。

　　一、锁相放大器的工作原理

　　锁相放大器采用外差式振荡技术，利用信号的相关原理对混有噪声的周期信号进行相关运算后，从噪声信号中检测出目标信号。其工作原理框图如图1所示。

　　

　　信号通道的作用是将伴有噪声的输入信号放大，并经选频放大对噪声进行初步处理；参考通道的作用是提供一个与输入信号相同的方波；相敏检波的作用是对输入信号和参考信号完成乘法运算，从而得到输入信号与参考信号的和频与差频信号；低通滤波的作用是滤除高频信号成分，这使得等效带宽变窄，从而实现提取噪声中的微弱信号。

　　假设待测信号是Asin（ωt+α），噪声为n（t），参考通道信号是Bsin（ωt+β），其中幅值B是确定的，两路信号在相敏检测环节中进行相乘运算，结果为：

　　

　　式（1）中第一项为直流成分，大小与两信号幅值及相位差的余弦成正比；第二项为待测信号的倍频信号。和待测信号同时进入乘法器的噪声也要和参考信号相乘，结果n（t）Bsin（ωt+β）几乎都是交流信号。低通滤波器的通带可以做得很窄，经过低通滤波器，待测信号的二倍频信号和噪声与参考信号相乘的结果都被滤掉，仅剩下直流信号，即0.5ABcos（α-β），只要两个信号的初相位α和β是已知的，则cos（α-β）是恒定的。由于参考信号的幅值B是确定的，那么很容易得到待测信号的幅值A。

　　在单通道中很难做到cos（α-β）的恒定，即参考信号和被测信号同相位。为了消除（α-β）值的不确定带来的影响，对参考信号做90°的移项作为第二路锁相的参考信号，这样双通道的锁相放大器就能实现动态地测量幅值和相位。