鎖相放大器

鎖相放大器（也稱為相敏整流器、載頻放大器 (TFV) 或相敏檢測器 (PSD)）是一種放大器，用于測量頻率為 f r e f 相位已知參考信號被調制。 該器件代表了一個極窄帶的帶通濾波器，從而提高了信噪比（SNR，signal-to-noise ratio）。 優點是可以有效過濾直流電壓、其他頻率的交流電壓和噪聲。

鎖相放大器需要以下功能元素：

• 調制測量信號的信號輸入。
• 正弦（有時是方波）參考信號的信號輸入。
• 用于信號輸入的輸入放大器，可能帶有輸入濾波器。
• 用于在參考信號和測量信號之間進行調整的移相器。
• 將輸入信號與參考信號相乘的混合器（乘法器）。
• 低通對多個信號周期執行時間平均。
• 可選：用于調制測量信號的內置振蕩器。

兩個輸入信號在混頻器中相乘，然后在低通濾波器中積分。 鎖相放大器計算固定相移 Δ φ 的測量值和參考信號之間的互相關。 不同頻率信號的互相關為零。 因此，如果測量信號的頻率不同于參考信號的頻率，則鎖定不提供輸出信號。 僅對于相同的頻率，互相關傳遞的值不等于零，因此對鎖相放大器的輸出信號有貢獻。 通過選擇正確的參考頻率，可以濾除測量信號中的相應分量。 參考信號被鎖定在測量信號上。

另一種解釋來自混頻器：當測量信號與參考信號相乘時，混合信號產生差頻和和頻。 有用信號的差頻理想情況下為零。 低通濾波器足以過濾此 DC 電壓信號，并且它只需要足夠寬以允許信號中所需的變化通過即可。 所有其他頻率，尤其是高頻噪聲、電源嗡嗡聲或其他干擾信號都被低通濾波器濾除。

理想情況下，鎖相放大器提供直流電壓作為輸出信號。 它正比于：

• 輸入電壓；
• 輸入信號和參考信號之間的相移 Δ ? {\displaystyle \Delta \phi } 的余弦值。

如果參考信號和測量信號同相，鎖相放大器產生的輸出信號處于xxx值。 如果相移為 90°，則輸出信號為零。

在頻域看鎖相放大器，它對應于參考頻率附近的一個帶通，其帶寬與積分時間成反比。 測量通道中頻率位于此帶寬內的干擾信號會導致輸出出現拍頻。

該公式適用于正弦參考信號。 然而，在實際應用中（參見光調制器），人們常常不得不處理方波參考信號，其中輸出信號看起來會有所不同。 矩形參考信號意味著信號的奇次諧波也對輸出信號有貢獻，相應頻帶中的干擾信號也是如此。

因此，測量信號和參考信號之間的相位極其重要，并且作為測量結果，其值與測量信號的幅度相等。 對于某些測量，它可以提供有價值的信息。 例如，當使用導致樣品光電導的開/關調幅光時，測得的電流將稍微滯后于激發，因為樣品中的各種效應會導致時間延遲，從而導致相移。 所以你可以從度數得出相移的類型和程度的結論這些效應在樣本中的 ?。

有單相鎖相和雙相鎖相放大器。 后者確定相差 90° 的兩個不同相移的輸出信號。 通過對兩個結果輸出信號進行畢達哥拉斯加法，測量的最終結果與相位無關，從而實現更簡單和更精確的測量。

借助基于數字信號處理器 (DSP) 的數字鎖相放大器，可以實現最佳信號靈敏度。 首先，輸入信號和參考信號被數字化（ADC）。 然后以純數字方式執行其他步驟，例如參考信號的準備、相移、乘法和低通濾波。 如有必要，將結果轉換回模擬信號（DAC，數模轉換器，數模轉換器）。 基于 DSP 的鎖定還可以更精確地確定輸入信號和參考信號之間的相位關系。 由于純數字數據處理，每個通道可以使用不止一個解調器。 這擴展了評估的可能性。基于 FPGA 的鎖定放大器還可以從一個源提供多個參考頻率。 因此，可以使用其他解調器以相位穩定的方式評估多個甚至混合頻率。