锁相放大器综述.docx

题目：锁相放大器的原理及应用姓名： 单位： 学号 联系方式摘要锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进 行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用 有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值应用在科学研究的各个领域中：如 通讯、工业、国防、生物、海洋等本文主要介绍了锁相放大器原理，发展过程， 基本组成，重要参数和在各方面的应用 关键词：锁相放大器，噪声，傅立叶变换、锁相放大器的定义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又称锁定放大器是对正弦信号（含具 有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶 变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值应用在 科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等二、锁相放大器的历史上世纪六十年代美国公司研制出第一台利用模拟电路实现微弱正弦信号测量的 锁相放大器，使微弱信号检测技术突破性飞越，为解决大量电子测量做出贡献， 在物质表面组份分析以及表面电子能态研宄方面有重大意义。

自上世纪后期开始 国内外越来越多的人开始研宄锁相放大器，随着科技的发展，越来越多性能优良 的锁相放大器被研发出来，在各个领域应用广泛，极大程度上推动了各个学科的 发展，目前，从提高系统的灵敏度、减小噪声带宽、提高检测精度、改善信噪比 上都有了很大的进步近年来，数字电子技术飞速发展，锁相放大器也在这一契 机下，出现了模数混合的锁相放大器与数字锁相放大器，这在一定程度上弥补了 由于物理器件造成的模拟锁相放大器的缺点，极大改善了性能，提升了研究层次 与扩大了应用范围国外相较于国内而言，起步要早一些，己研发出一系列锁相 放大器美国公司、美国公司是行业的龙头企业，它们所研制的模拟型：、和数 字型：、、、均已有较成熟的发展与应用其中公司是世界范围内数字锁相放大器 研制的佼佼者，该公司的产品在到的频率带宽内可测，具有自动获取、自动补偿 功能，具有谐波抑制功能、度的相位分辨率和大于的动态保留，时间常数位从到 可调，它的数字信号处理设计使它具有很大的动态存储，这就减少了使用带通滤 波器时带进的噪声以及系统的不稳定性就国内而言，南京大学唐鸿宾等对锁相 放大器的研宄起步较早，研发出了系列锁相放大器，该校微弱信号检测中心顺势 研发出了新一代系列锁相放大器，在著名的唐鸿宾教授带领下，该中心现在仍然 在不断出现新的研宄成果。

如：能抑制同频干扰的锁相放大器、型锁相放大器、 虚拟锁相放大器等在新产品不断出现的同时，越来越多人投入到有关数字锁相 算法的研究中，采样方法中反向与正交法、累加法中四、六等分累加法与分段累 加法接连出现，这些新的算法的出现，都为微弱信号检测提供了支持与方便三、锁相放大器工作原理锁相放大器简称是利用相关原理中的互相关的原理设计的一种可用于微弱信号 检测的设备它是一种可对信号进行相敏检波的放大器在测量中，噪声是人们不 喜欢见到的干扰信号，其中对仪器设备影响较大的是白噪声以及噪声系统中噪 声的出现会对有用信号造成不利影响，常使有用信号被其覆盖为了降低影响， 通常会采用窄带滤波器去增大信号的但是，滤波器也有局限性：值即中心频率 与通带宽度的比值受滤波器硬件部分等的限制，这影响到它不能更高层次的提取 有用信号、滤除噪声锁相放大器是利用相关原理设计而成，将乘法器与积分器 连接在同一条通路上，进行相关运算，去除噪声，可以大大提高抑制噪声的能力 而这些，如果是采用带通滤波器，则可能产生较大测量误差，直接后果就是把有 用信号误当成噪声滤除了通过之前的分析知道系统受到噪声中低频段部分的影 响，因此可以利用斩波技术，将易受影响的部分变成高频交流信号，从而降低系 统受低频部分的影响程度锁相放大器主要利用了参考信号与被测信号同频、同相 的关系，也就是通常指的同步，它只对被测信号中的某一部分有响应，因此，就 无所谓频率稳定与否。

研究表明，锁相放大器使信噪比提高倍数在级上，换算成 信噪比是以上，能在比有用信号强千倍的噪声中将有用信号提取出来，可以使值 提高百万倍这些都显示了利用锁相放大器进行检测系统设计能使系统具有许多 优点，如它可以较强的抑制噪声现在的技术日新月异，锁相放大器的性能更加 强大：比如新型的双相数字锁相放大器、多通道锁相放大器、精密锁相放大器等 它们有极高的放大倍数和增益，且增益的精度高目前，锁相放大器的核心器件 模拟相敏检波器正被数字信号处理器）所取代，这进一步地提升了它的性能由此 可见，锁相放大器有许多优点，如良好的抗噪性能与很高的检测灵敏度对于锁 相放大器，在通频带非常窄的范围内同样能实现检测功能，它是把交流信号放大并将它变成相应的直流信号进行输出检测的实现实际上就是在待测信号中找到 与参考信号同步的信号并将它放大，最终实现检测有用信号的功能，因此，称 这种仪器为锁相检测仪和同步检测仪也许更加形象但它的学名仍叫锁相放大器 目前，市面上常用的锁相放大器有模拟的和数字的两类，通过对它们之间进行比 较发现：前者具有起步早、速度快、参数稳定性和灵活性差等特点，而后者是随 着数字技术的发展而出现的，它常用高速对信号进行高速采样，因此这对微处理 器有很高的要求。

四、锁相放大器的构成相关器图为典型锁相放大器的组成：相关器、信号通道、参考通道有用信号常常十分 微弱，同时存在强的噪声信号通道-滤波频率变 '换电路放大器一*相移4电路方波'驱动倍号输出积分器 •参考通遭图 4-1 典型的锁相放大器原理1) 信号通道 信号输入后先经过信号通道，它是由前置放大器、滤波与衰减功能的元器件、 放大器等各部分组成，如图中它起到将输入信号放大，为后面的相关器工 作提供方便的作用与此同时，滤波器工作将系统中的干扰信号滤掉，因此， 信号通道有低噪声的特点将前置放大器作为信号通道中的第一个部分，主 要考虑到了输入信号很小，是、级甚至更加微弱，那么输入后首要任务是将 输入信号进行放大，它的要求是往往需要高输入阻抗，低输出阻抗以及较高 的电压增益2) 参考信号 互相关接收两种信号：分别是被测信号与参考信号参考输入信号首先经过 参考通道分别经过触发电路、频率变换电路、相移电路、方波驱动电路后以 方波信号形式输出输入信号与参考信号是同时分别送入到信号通道与参考 通道，因此，这两部分的输出也是同步的参考信号的来源有两类：一种是 来自仪器内部，另一种是来自外部，后者是主要来源参考信号的种类繁多， 如正弦波、方波、三角波等各种有规律的周期信号都可将其作为参考信号。

3) 相关器相关器的作用是对被测信号与参考信号进行互相关函数运算它常由乘法器 和积分器组成它有稳定性好、动态范围大、线性好等优点，这使得相关器 的适用范围广锁相放大器通常在输入信号为正弦信号或方波信号的条件下 使用当方波信号作为输入信号时，输入到参考信道的参考信号是受限制的 (与输入信号同步的方波)在相关检测中相敏检波器是核心器件，然后利 用它实现对信号进行与的检测相关器中的器件将经信号通道与参考通道输 出的两路信号依次进硕士学位论文锁相放大器工作原理行相乘运算与积分 运算相关器的等效噪声带宽是由积分器的时间常数决定的，在理想分析下， 积分时间常取为无限大，积分时间越长，抑制噪声和干扰的能力就越强，但 这毕竟不是现实，不存在出现无限大的取值，积分时间存在着上限与下限 在实际应用中，时间常数的选取是由被测信号变化的响应时间以及系统抑制 噪声的要求共同确定的相关检测的方法能减小等效噪声带宽，能增大等效 值，最终达到增大信噪比的目的五、锁相放大器的重要参数影响锁相放大器工作性能的一些参数有1) 带宽锁相放大器的决定因素的是带宽〔 ,因为在实际测量中是无法完全滤去十分 接近参考频率的噪音信号,所以带宽成了影响信号检测灵敏度的重要因素。

现在可以提供检测带宽可以达到2) 参考频率锁相放大器需要一个参考频率通常是用振荡器或函数发生器发出的信号驱 动实验,用锁相放大器检测该信号在参考频率的响应锁相放大器用 PLL 产 生参考信号如果用外部参考信号 ,锁相放大器中的就把内部参考振荡器的 相位锁定,产生一个固定相移的正弦信号因为可以跟踪外部频率,所以外部 频率的变化不会影响测量3) 品质因数 品质因数决定选频特性 ,其倒数称为相对带宽,也就是增益衰减为的两个截 止频率之间的带宽通过设定时间常数可以调整滤波器的带宽而时间常数 尤,其中是信号增益衰减为时的频率它可以反应输出响应的速度和输出信 号的平滑度4) 动态延续量 动态延续量表示的是所能接受的最大噪音信号与被测量信号的增益之比在 这个限度内的信号不会带来输出信号的过载为了增加这个比率 ,输入信号 必须很小以防止过载 ,但是实际情况不允许将这个值变得很高 ,因为和直流 放大器都有一些偏移,如果它们的增益过大,会导致严重的测量误差为此可 以通过改变时间常数来进行抑制六、锁相放大器的应用 锁相放大器作为产品问世几十年来,在声、光、电、磁、物理、化学、天文、 地学、生物医学、工业生产等领域中得到极为广泛的应用。

在科学技术范围内己 有二百多个方面得到了极好的应用,推动了科学技术的发展,它己成为现代科学 技术中不可缺少的常备仪器,是微弱信号检测中应用十分广泛的仪器1) 锁相放大器在电池内阻测量中的应用 采用锁相放大技术可以有效地抑制干扰和噪声 ,使得内阻的测量变的非常精 确,且测量速度快、成本低由于它无需放电,施加的交流电流也很小,可以实 现完全的检测管理,避免了对设备运行安全性的影响因此,用锁相放大 器实现电池内阻测量将有广泛的应用前景2) 锁相放大器在微波特性研究中的应用 随着科学技术的进步,微波技术和微波理论有了长足的发展尽管微波辐射 对人体有热效应和生物效应 ,但在加强安全防护后,微波有着更多的优点,与 其他电磁波相比,波长短、频率高、频带宽、穿透性高、方向性强、量子特 性等,所有这些使得其广泛用于通信系统、遥感系统、雷达系统 ,此外,已经 深入到工业、农业、医疗事业因此,微波特性研究己成为一门被人重视的 学科在传统微波光特性研究的基础上，可以用两台微波分光仪和一台微弱 信号检测仪—锁定放大器来研究微波的传输特性采用型三厘米固态信号发 生器产生微波信号,电源电压采用方波调制 ,调制电压输出电阻分压作为锁 定放大器的参考信号。

微波信号由发射天线发射 ,接收天线接收后经检波器 检波输给锁定放大器作为待测信号,改变接收天线和发射天线的距离和角度, 观察锁定放大器输出电压的变化采用锁定放大器取代测量放大器和选频放 大器是天线方向图测量的一大进步,保证了测量系统的低噪声性能和高灵敏 度3) 锁定放大器在热敏电阻温度特性的精确测量中的应用 热敏电阻也称温度传感器,是利用半导体的电阻阻值随温度显著变一特性制 成的一种热敏元件,它己广泛的用于工农业生产等各个领域有些场合我们 需要利用热敏电阻精确测量和控制温度,在有限的温度范围内测量微小的温 度变化,获得高灵敏度的测温分辩率,因此,精确研究热敏电阻的温度特性很 有意义七、参考文献[1] 胡绍民，张广发一种基于DSP和采样ADC的数字锁定放大器数据釆集与处理,2000,15(2):222-225[2] 刘红丽，李昌禧一种测量微弱信号的锁定放大电路设计.武汉理工大学学报2002,26(5):58-60[3] 曾庆贵锁相环集成电路原理和应用上海。