鎖相放大器是微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域的核心工具，廣泛應(yīng)用于電生理、傳感器測(cè)量等場(chǎng)景。其核心在于利用信號(hào)相關(guān)性，從強(qiáng)噪聲背景中提取有用信號(hào)。
1.基本概念
1)適用范圍
提取被隨機(jī)噪聲（白噪聲）和1/f噪聲（低頻噪聲）污染的有用信號(hào)
2)基本原理
鎖相放大器是用來檢測(cè)微弱信號(hào)，這些信號(hào)中通常伴隨著比信號(hào)本身數(shù)千倍的噪聲。鎖相放大器由其特殊的方法可以精確的測(cè)量這些微弱信號(hào)。這種方法便是基于信號(hào)的相關(guān)性。
a)輸入信號(hào)被周期性信號(hào)（方波或正弦波）調(diào)制
b)正弦信號(hào)具有完備性，噪聲信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)（白噪聲），且隨機(jī)信號(hào)與正弦信號(hào)不具備相關(guān)性
鎖相放大器的核心技術(shù)為相敏檢波（PSD）。傳統(tǒng)的處理微弱信號(hào)的方法是采用放大器，但放大器會(huì)同時(shí)放大有用信號(hào)和噪聲，如果沒有帶寬限制或?yàn)V波，將會(huì)導(dǎo)致信噪比（SNR）比較差，因此若想精確的測(cè)量出這些信號(hào)，就需要采用濾波器來凈化這些信號(hào)，提高信噪比（SNR）。而相敏檢波可以被看作是一個(gè)具有很窄帶寬的帶通濾波器。相敏檢波（PSD）基本框圖如下圖。

單相鎖相放大器框圖如下圖。

其中，

為輸入信號(hào)，式中為測(cè)試信號(hào)，也就是我們的有用信號(hào)，為總噪聲。

為參考信號(hào)，它與輸入信號(hào)有相同的頻率，但它們之間有一定的相位差。

經(jīng)過相敏檢波（PSD）后，得（使用積化和差公式）：

3.雙相鎖相放大器
雙相鎖相放大器也叫正交鎖相放大器，它包含2個(gè)相敏檢波（PSD），其結(jié)構(gòu)框圖如下圖。

在單相LIA結(jié)構(gòu)中，輸入信號(hào)包含有用信號(hào)和噪聲，參考信號(hào)與之同頻但存在相位差。兩者在相敏檢波器中相乘，輸出包含直流分量、二倍頻分量及噪聲項(xiàng)。隨后，低通濾波器（LPF）濾除高頻分量和無相關(guān)性的噪聲，最終輸出穩(wěn)定的直流信號(hào)，其幅值與輸入信號(hào)幅值及相位差余弦成正比。
為克服單相LIA需手動(dòng)調(diào)節(jié)相位且精度不穩(wěn)的缺陷，雙相（正交）LIA采用兩路相位差90°的參考信號(hào)，分別進(jìn)行解調(diào)，得到相互正交的輸出X和Y。通過計(jì)算這兩個(gè)輸出的合成值和角度，可同時(shí)獲得信號(hào)的幅值和相位信息，實(shí)現(xiàn)全范圍高精度測(cè)量，無需動(dòng)態(tài)調(diào)整參考相位。
隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字鎖相放大器（DLIA）逐漸成為主流。它通過ADC對(duì)信號(hào)數(shù)字化，利用FPGA或DSP實(shí)現(xiàn)混頻與濾波的全數(shù)字化處理，具有集成度高、配置靈活、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)代LIA不僅作為精密交流電壓表和相位計(jì)，還可集成功能如阻抗分析、頻譜測(cè)量等，是科研與工程中不可或缺的高靈敏度測(cè)量?jī)x器。


審核編輯 黃宇