锁相放大器原理和结构分析

　　锁相放大器是一种用于测量动态信号的电子仪器。它的主要组成部分有振荡器，混频器和低通滤波器。它的最基本，也是最常用的功能是从被噪声淹没的信号中测出某一频率的信号的相位和幅值。

　　它之所以具备这样的能力是运用了正交性原理，将非选定频率的信号（即噪声）去除而选定频率的信息得以保留。因为具有很强的抗噪声能力，锁相放大器被广泛应用于各种高精测量系统中，比如MEMS研究。这篇文章主要来看看锁相放大器原理和结构分析。

　　锁相放大器原理

　　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：

　　

　　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：

　　

　　其中，B 为其幅值，τ是时间位移，（）Mt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（t）=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。理论上已证明，当信号的频率和相位已知，采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大。

　　锁相放大器结构分析

　　锁定放大器一种利用相关检测技术实现微弱信号检测的仪器，它能精确测量被掩埋在噪声中的微弱信号。锁相放大器的输入为正弦波或方波交流信号，其输出为正比于输入波形幅值的直流信号。锁定放大器的基本组成如图（1），包括信号通道、参考通道、相敏检测器（PSD）和低通滤波器（LPF）等。

　　

　　（1）信号通道对输入信号进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。

　　（2）参考通道的功能是为相敏检测器提供与被测信号相干的控制信号，故参考输入必须是与被测信号相关的同频信号。参考通道的输出r（t）可以是正弦波，也可以是方波，但为了防止r（t）的幅度漂移影响锁定放大器的输出精度，r（t）最好采用采用占空比为50%的方波开关信号，用电子开关实现相敏检测。

　　（3）相敏检波器的输出通过低通滤波器压缩带宽，大量的宽带噪声被滤除，使锁相放大器具有很强的抑制噪声能力。锁相放大器的通带宽度取决于低通滤波器的时间常数，时间常数越长，带宽越窄，对信噪比的改善也就越高。信噪比的改善与时间常数的平方根成正比。为使LPF的输出满足要求，常常使用直流放大器对其输出进行放大。简言之锁相放大器就是将深埋在噪声中特定频率的微弱信号提取出来并进行放大。