锁相放大器的设计

　　锁相放大器是一种高性能的通用测量仪器,它能精确地测量被掩埋在噪音中的微弱信号。随着科学技术的飞速发展,在电子学、信息科学、光学、电磁学、低温物理等许多领域,越来越需要测量深埋在噪音中的微弱信号。本文介绍了一种低成本,灵活性高的缩相器。特别在系统检测精确、性能指标、稳定性与抗干扰方面,达到理想效果。

　　一、锁相放大器

　　锁相放大器是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器。它作为一种信号恢复仪器,在弱信号测量中的重要作用,已经引起人们越来越广泛的重视。

　　1·锁相放大器的研究背景

　　锁相放大器(Lock- in Amplifier, LIA)不仅能像选频放大器那样利用信号的频率特性,还抓住了信号的相位特点,即“锁定”了被测信号的相位。它的等效噪声带宽非常窄,一般可以做到1mHz,远比选频放大器的带宽窄。因此,基于锁相放大器所具有的输出稳定性、强有力滤除噪声的能力以及能将深埋在噪声中的微弱信号提取出来并加以放大的优良特性,应当选用锁相放大器。

　　2·锁相放大器的理论分析与设计要求

　　(1)锁相放大器的工作原理

　　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X(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωt+φ)+N(t)

　　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:Y(t)=Bsin(ωt+τ)+M(t)

　　其中,B为其幅值,τ是时间位移,M(t)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(τ)=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[3]。

　　(2)锁相放大器的组成结构

　　如图2-1所示,锁相放大器由信号通道、参考通道、同步积分器和相关器四部分组成。

　　信号通道包括低噪声前置放大器、带通滤波器。它的作用主要是对微弱信号进行交流放大,将待调整的输入信号放大到足够大,适于推动后面的部分电路(同步积分器和相关器)的正常工作,并抑制和滤除部分干扰和噪声,扩大相敏检测动态范围。