内容发布更新时间 : 2024/6/27 5:35:50星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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。

红外探测器易受杂散光，环境辐射，内部噪声等影响，尤其是低温时热辐射信号微弱，信噪比较低，信号将淹没在噪声中，这就限制了红外温度传感器的应用。锁相放大器可以将微弱的热辐射信号噪声中检测出来，从而拓展了红外线温度传感器在低温范围的应用。

应用三：相敏检波器组成的锁相环在电力系统同步谐波检测中的应用。红外探测器易受杂散光，环境辐射，内部噪声等影响，尤其是低温时热辐射信号微弱，信噪比较低，信号将淹没在噪声中，这就限制了红外温度传感器的应用

四．锁相放大器的工作原理 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。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。

Vi前置放大带通滤波器相敏检测器VoAD转换器Vr移相器锁相放大器原理图

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。

待测信号带通滤波器VS1相敏检测器Vo参考信号VR

图2

相敏检测器原理图

设待测信号Vs?t??Vs1?t??n?t??Vscos??st??s??n?t?，其中Vs1(t)为待测信号中的有效信号，n?t?为噪声。

参考信号Vr?t??Vrcos??rt??r?，则经乘法器的输出信号为Vi?Vs?t??Vr?t?，积分器的输出信号VO为：

VO?limT??1?T??V?t?dt ????Vt?nts1r????T?2T?1?TVs1?t?Vr?t?dt?=limT??2T????T?Vs1?t?n?t?dt??Rsr????Rrn???

??T?T上式中Rsr???、Rrn???分别是待测有效信号与参考信号及参考信号与噪声之间的相关函数，对于Rrn???项，由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为参考信号与噪声互相独立，它的相关函数Rrn???为零：即经过长时间的积分，Rrn???项为零，实际上积分时间不可能无限长，也就是说实际计算中Rrn???不可能为零，它表现为剩余噪声，但噪声对测量结果的影响已经大大降低，对于Rsr???项为：

Rsr????lim12TT???T?TVs1?t??Vr?t?dt