锁相放大器

锁相放大器（也称为相敏整流器、载频放大器 (TFV) 或相敏检测器 (PSD)）是一种放大器，用于测量频率为 f r e f 相位已知参考信号被调制。 该器件代表了一个极窄带的带通滤波器，从而提高了信噪比（SNR，signal-to-noise ratio）。 优点是可以有效过滤直流电压、其他频率的交流电压和噪声。

锁相放大器需要以下功能元素：

• 调制测量信号的信号输入。
• 正弦（有时是方波）参考信号的信号输入。
• 用于信号输入的输入放大器，可能带有输入滤波器。
• 用于在参考信号和测量信号之间进行调整的移相器。
• 将输入信号与参考信号相乘的混合器（乘法器）。
• 低通对多个信号周期执行时间平均。
• 可选：用于调制测量信号的内置振荡器。

两个输入信号在混频器中相乘，然后在低通滤波器中积分。 锁相放大器计算固定相移 Δ φ 的测量值和参考信号之间的互相关。 不同频率信号的互相关为零。 因此，如果测量信号的频率不同于参考信号的频率，则锁定不提供输出信号。 仅对于相同的频率，互相关传递的值不等于零，因此对锁相放大器的输出信号有贡献。 通过选择正确的参考频率，可以滤除测量信号中的相应分量。 参考信号被锁定在测量信号上。

另一种解释来自混频器：当测量信号与参考信号相乘时，混合信号产生差频和和频。 有用信号的差频理想情况下为零。 低通滤波器足以过滤此 DC 电压信号，并且它只需要足够宽以允许信号中所需的变化通过即可。 所有其他频率，尤其是高频噪声、电源嗡嗡声或其他干扰信号都被低通滤波器滤除。

理想情况下，锁相放大器提供直流电压作为输出信号。 它正比于：

• 输入电压；
• 输入信号和参考信号之间的相移 Δ ϕ {\displaystyle \Delta \phi } 的余弦值。

如果参考信号和测量信号同相，锁相放大器产生的输出信号处于xxx值。 如果相移为 90°，则输出信号为零。

在频域看锁相放大器，它对应于参考频率附近的一个带通，其带宽与积分时间成反比。 测量通道中频率位于此带宽内的干扰信号会导致输出出现拍频。

该公式适用于正弦参考信号。 然而，在实际应用中（参见光调制器），人们常常不得不处理方波参考信号，其中输出信号看起来会有所不同。 矩形参考信号意味着信号的奇次谐波也对输出信号有贡献，相应频带中的干扰信号也是如此。

因此，测量信号和参考信号之间的相位极其重要，并且作为测量结果，其值与测量信号的幅度相等。 对于某些测量，它可以提供有价值的信息。 例如，当使用导致样品光电导的开/关调幅光时，测得的电流将稍微滞后于激发，因为样品中的各种效应会导致时间延迟，从而导致相移。 所以你可以从度数得出相移的类型和程度的结论这些效应在样本中的 ß。

有单相锁相和双相锁相放大器。 后者确定相差 90° 的两个不同相移的输出信号。 通过对两个结果输出信号进行毕达哥拉斯加法，测量的最终结果与相位无关，从而实现更简单和更精确的测量。

借助基于数字信号处理器 (DSP) 的数字锁相放大器，可以实现最佳信号灵敏度。 首先，输入信号和参考信号被数字化（ADC）。 然后以纯数字方式执行其他步骤，例如参考信号的准备、相移、乘法和低通滤波。 如有必要，将结果转换回模拟信号（DAC，数模转换器，数模转换器）。 基于 DSP 的锁定还可以更精确地确定输入信号和参考信号之间的相位关系。 由于纯数字数据处理，每个通道可以使用不止一个解调器。 这扩展了评估的可能性。基于 FPGA 的锁定放大器还可以从一个源提供多个参考频率。 因此，可以使用其他解调器以相位稳定的方式评估多个甚至混合频率。