摘 要：锁相放大器（lock-in amplifier）运用互相关性原理，参考干扰信号与被测信号的互相关性，从比被测信号强100dB以上的干扰信号中检测出目的信号。为了更好的检测出被测信号，在锁相放大器原理的基础上，利用开关型相敏检波器（phase-sensitive detection）和直流放大器，实现双通道的锁相放大器。
关键词：锁相放大器、相敏检波器、互相关性
中图分类号：TN722 文献标识码：A
微弱信号检测是一门新兴的技术学科，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。由于其在微弱信号检测方面的优越性能，在科学研究的各个领域得到广泛的应用。锁定放大器利用信号的周期性和噪声的随机性的差别，通过互相关运算，相同频率并且相同相位的信号可以顺利通过，相同频率但是不同相位的信号，会有很大的衰减作用，从而能比被测信号强100dB的干扰信号中几乎准确无误地检测出目的信号。锁相放大器相当于高Q值带通滤波器，等效带通滤波器的Q值一般可以达到107 左右，而且能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上。锁相放大器最为合适测量深埋在噪声中的有用信号，常用于检测伴随强背景噪声的微弱信号，有抗干扰能力强、性能好、灵活性高等优点。
1 锁相放大器原理
1.1 锁相放大器原理
锁相放大器利用了噪声与目的信号之间在性质上的差别，目的信号的频谱是很窄的，而白噪声的频谱却有着宽阔的频谱，白噪声的频谱虽然包括了目的信号的频谱，但是，白噪声的频谱幅度却很小。如果我们用窄带带通滤波器滤除目的信号外的频谱，这样噪声对目的信号的干扰就会很小，从而就可以准确的测出目的信号的幅度和相位。为了更加精确的测量被噪声所掩埋的目的信号，应该将带通滤波器的频带宽度变的更加窄。如果将频带宽度缩小到1/n，那么噪声就会减小到1/，如果目的信号大小不改变，则信噪比会改善为1/。减小带宽就意味着提高电路的Q值，但是，带通滤波器的带宽不可能做到很小，也就是说Q值不可能做到非常大。一般的滤波器所能够达到的Q值大约在100 左右，这是由于组成滤波器的元件的精确度和稳定性是有限的，太高的Q值电路往往是不稳定的，在制作上是很困难的。但是锁相放大器利用噪声与目的信号之间在性质上的差别，却可以使Q 提高到约为107，而且能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上，这是窄带带通滤波器是无法做到的。
将被测信号和参考信号（方波）进行乘法运算，方波通过傅里叶展开为R（t），相乘后得到u（t），u（t）包括相乘信号的和频与差频信号。由于被测信号和参考信号频率相同，其中差频信号会有为直流信号。而和频信号和其他的差频信号通过后面的低通滤波器滤除，只剩下直流信号，输出为 。
单通道的锁相放大器（如图1）包括信号通道、移相电路、相敏检测器（ PSD） 、低通滤波器（LPF）。由于一般的模拟乘法器电路，在线性度和温度稳定性等性能不是很好，所以，在实际的锁相放大器中，通常会采用开关元件来代替模拟乘法器。单通道的锁相放大器在测量中会出现许多问题，参考信号和目的信号的相位差必须为0°，否则是不能很好地测量被测信号的大小。所以就需要把参照信号与目的信号的相位差调节到0°，然后再输入到相敏检测器。为了能够正确地测量出目的信号的大小，移相电路是单通道的锁相放大器中必不可少的电路。并且在测量中很难判断电路是否已经准确的调节相位差为0°，这对测试的结果的准确性产生很大的影响。
1.2 双通道锁相放大器原理
为了克服单通道锁相放大器的缺点，在经过对单通道锁相放大器的改进，双通道锁相放大器可以使得参考信号和目的信号的相位差不必为0°，电路同样能很好地测量被测信号的大小。这样在测量时就不必调节参考信号和目的信号的相位差了，为测量带来了便利，并且测量结果更加精确。
双通道锁相放大器的工作原理结构如图2所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器（ PSD） 、低通滤波器（LPF）、矢量运算以及直流放大器。
信号通道：主要是对被测信号进行预滤波和交流放大等处理，伴有噪声的输入信号放大，并经选频放大对噪声进行初步处理，提高了信号的信噪比。
参考通道：提供一个与输入信号频率相同的方波，并对该方波移相0o 和90o，作为相敏检波器的输入。
相敏检波器：对被测信号和参考信号进行乘法运算，并得到和频与差频信号。由于被测信号和参考信号频率相同，差频信号为直流信号。通过后面的低通滤波器后就只剩下直流信号。
低通滤波器：滤出直流信号以及滤除噪声信号，提高输出直流信号的信噪比，从而实现提取噪声中的微弱信号。低通滤波器的带宽决定了锁相放大器的等效带宽，滤波器的截止频率越低，则等效带宽则越宽。但是截止频率越低，反应时间也会越长，这会使得测量时需要等待的时间变长，这是我们所不希望的，所以需要合理设置低通滤波器的截止频率。
直流放大器：将直流信号放大处理，得到适合AD采集的信号，以提高信号的信噪比。
锁相放大器用于检测淹没在噪声中的微弱信号，把相对于满量程信号输入所能够允许的噪声的大小叫做动态余量。动态余量（dB）= ，由此可见，降低AC放大器的增益，提高DC放大器的增益，能够提高动态余量。但是增大DC放大器的增益，PSD中的直流飘移就会被放大，这对于输出的直流稳定性是不利的。PSD的直流稳定性主要受温度的影响。所以动态余量与PSD的直流稳定性呈反比，合理设置AC放大器与DC放大器的增益，确保必要的动态余量。
2 双通道锁相放大器电路的设计
2.1 前置放大器电路（如图3）
前置放大器采用低噪声、低温漂的放大电路以提高信噪比，通过两级放大实现1000多倍的放大。由于输入信号的等效电阻的变化很大，为尽可能获取小信号，这就必须放大器有很大的输入电阻，所以第一级采用同相放大。
2.2 滤波电路（如图4）
为抑制噪声提高信噪比，在信号通道增加50Hz的陷波电路以及低通滤波器。如果电源中工频的干扰没有处理好，造成的影响会比较大，利用低通滤波器来抑制噪声带宽，并且对电源进行去耦处理，使得稳定性大大的提高。
2.3 相敏检波器以及低通滤波器电路（如图5）
相敏检波器是锁相放大器的核心，为检测出噪声中的微弱信号，要求PSD必须具有比较宽的动态范围。一般的模拟乘法器电路，由于输出的直流漂移，无法实现宽的动态范围，所以采用了开关式的乘法器作为相敏检波器。低通滤波器用于滤出直流分量，与时间相关的分量不能通过，输出与输入的幅度成正比关系。
2.4 直流放大器以及矢量运算
由于PSD输出直流比较小，不便于ADC的采样，同时为增大信噪比所以在后面采用DC放大器。由于DC放大器的增益较大，PSD的直流漂移也会被放大，同时考虑到动态余量，所以AC放大器与DC放大器的增益要合理分配，才能确保一定的动态余量。由于输出的直流分量X、Y只是输入信号的两个分量，还需经过矢量运算电路计算。矢量运算电路由AD采样，通过MSP430单片机计算出输入信号的幅度和相位并在液晶上显示。
3 测试结果分析
通过测试，所有测量结果的误差都控制在了5%以内， 而且随着输入信号幅度的增大测量误差会进一步减小。输入信号频率范围为100Hz～10KHz，可以从比被测信号强80dB以上的干扰信号中检测出目的信号。
4 结束语
本电路有效地实现了从被噪声淹没的信号中提取有用信号的功能，与传统的窄带滤波法相比，本电路有性能好、灵活性高等优点。由于其在微弱信号检测方面的优越性能，可以在科学研究的各个领域得到应用，尤其是在光电领域有着广泛的应用。
（本文审稿 吴艳玲）
摘 要：锁相放大器（lock-in amplifier）运用互相关性原理，参考干扰信号与被测信号的互相关性，从比被测信号强100dB以上的干扰信号中检测出目的信号。为了更好的检测出被测信号，在锁相放大器原理的基础上，利用开关型相敏检波器（phase-sensitive detection）和直流放大器，实现双通道的锁相放大器。
关键词：锁相放大器、相敏检波器、互相关性
中图分类号：TN722 文献标识码：A
微弱信号检测是一门新兴的技术学科，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。由于其在微弱信号检测方面的优越性能，在科学研究的各个领域得到广泛的应用。锁定放大器利用信号的周期性和噪声的随机性的差别，通过互相关运算，相同频率并且相同相位的信号可以顺利通过，相同频率但是不同相位的信号，会有很大的衰减作用，从而能比被测信号强100dB的干扰信号中几乎准确无误地检测出目的信号。锁相放大器相当于高Q值带通滤波器，等效带通滤波器的Q值一般可以达到107 左右，而且能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上。锁相放大器最为合适测量深埋在噪声中的有用信号，常用于检测伴随强背景噪声的微弱信号，有抗干扰能力强、性能好、灵活性高等优点。
1 锁相放大器原理
1.1 锁相放大器原理
锁相放大器利用了噪声与目的信号之间在性质上的差别，目的信号的频谱是很窄的，而白噪声的频谱却有着宽阔的频谱，白噪声的频谱虽然包括了目的信号的频谱，但是，白噪声的频谱幅度却很小。如果我们用窄带带通滤波器滤除目的信号外的频谱，这样噪声对目的信号的干扰就会很小，从而就可以准确的测出目的信号的幅度和相位。为了更加精确的测量被噪声所掩埋的目的信号，应该将带通滤波器的频带宽度变的更加窄。如果将频带宽度缩小到1/n，那么噪声就会减小到1/，如果目的信号大小不改变，则信噪比会改善为1/。减小带宽就意味着提高电路的Q值，但是，带通滤波器的带宽不可能做到很小，也就是说Q值不可能做到非常大。一般的滤波器所能够达到的Q值大约在100 左右，这是由于组成滤波器的元件的精确度和稳定性是有限的，太高的Q值电路往往是不稳定的，在制作上是很困难的。但是锁相放大器利用噪声与目的信号之间在性质上的差别，却可以使Q 提高到约为107，而且能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上，这是窄带带通滤波器是无法做到的。
将被测信号和参考信号（方波）进行乘法运算，方波通过傅里叶展开为R（t），相乘后得到u（t），u（t）包括相乘信号的和频与差频信号。由于被测信号和参考信号频率相同，其中差频信号会有为直流信号。而和频信号和其他的差频信号通过后面的低通滤波器滤除，只剩下直流信号，输出为 。
单通道的锁相放大器（如图1）包括信号通道、移相电路、相敏检测器（ PSD） 、低通滤波器（LPF）。由于一般的模拟乘法器电路，在线性度和温度稳定性等性能不是很好，所以，在实际的锁相放大器中，通常会采用开关元件来代替模拟乘法器。单通道的锁相放大器在测量中会出现许多问题，参考信号和目的信号的相位差必须为0°，否则是不能很好地测量被测信号的大小。所以就需要把参照信号与目的信号的相位差调节到0°，然后再输入到相敏检测器。为了能够正确地测量出目的信号的大小，移相电路是单通道的锁相放大器中必不可少的电路。并且在测量中很难判断电路是否已经准确的调节相位差为0°，这对测试的结果的准确性产生很大的影响。
1.2 双通道锁相放大器原理
为了克服单通道锁相放大器的缺点，在经过对单通道锁相放大器的改进，双通道锁相放大器可以使得参考信号和目的信号的相位差不必为0°，电路同样能很好地测量被测信号的大小。这样在测量时就不必调节参考信号和目的信号的相位差了，为测量带来了便利，并且测量结果更加精确。
双通道锁相放大器的工作原理结构如图2所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器（ PSD） 、低通滤波器（LPF）、矢量运算以及直流放大器。
信号通道：主要是对被测信号进行预滤波和交流放大等处理，伴有噪声的输入信号放大，并经选频放大对噪声进行初步处理，提高了信号的信噪比。
参考通道：提供一个与输入信号频率相同的方波，并对该方波移相0o 和90o，作为相敏检波器的输入。
相敏检波器：对被测信号和参考信号进行乘法运算，并得到和频与差频信号。由于被测信号和参考信号频率相同，差频信号为直流信号。通过后面的低通滤波器后就只剩下直流信号。
低通滤波器：滤出直流信号以及滤除噪声信号，提高输出直流信号的信噪比，从而实现提取噪声中的微弱信号。低通滤波器的带宽决定了锁相放大器的等效带宽，滤波器的截止频率越低，则等效带宽则越宽。但是截止频率越低，反应时间也会越长，这会使得测量时需要等待的时间变长，这是我们所不希望的，所以需要合理设置低通滤波器的截止频率。
直流放大器：将直流信号放大处理，得到适合AD采集的信号，以提高信号的信噪比。
锁相放大器用于检测淹没在噪声中的微弱信号，把相对于满量程信号输入所能够允许的噪声的大小叫做动态余量。动态余量（dB）= ，由此可见，降低AC放大器的增益，提高DC放大器的增益，能够提高动态余量。但是增大DC放大器的增益，PSD中的直流飘移就会被放大，这对于输出的直流稳定性是不利的。PSD的直流稳定性主要受温度的影响。所以动态余量与PSD的直流稳定性呈反比，合理设置AC放大器与DC放大器的增益，确保必要的动态余量。
2 双通道锁相放大器电路的设计
2.1 前置放大器电路（如图3）
前置放大器采用低噪声、低温漂的放大电路以提高信噪比，通过两级放大实现1000多倍的放大。由于输入信号的等效电阻的变化很大，为尽可能获取小信号，这就必须放大器有很大的输入电阻，所以第一级采用同相放大。
2.2 滤波电路（如图4）
为抑制噪声提高信噪比，在信号通道增加50Hz的陷波电路以及低通滤波器。如果电源中工频的干扰没有处理好，造成的影响会比较大，利用低通滤波器来抑制噪声带宽，并且对电源进行去耦处理，使得稳定性大大的提高。
2.3 相敏检波器以及低通滤波器电路（如图5）
相敏检波器是锁相放大器的核心，为检测出噪声中的微弱信号，要求PSD必须具有比较宽的动态范围。一般的模拟乘法器电路，由于输出的直流漂移，无法实现宽的动态范围，所以采用了开关式的乘法器作为相敏检波器。低通滤波器用于滤出直流分量，与时间相关的分量不能通过，输出与输入的幅度成正比关系。
2.4 直流放大器以及矢量运算
由于PSD输出直流比较小，不便于ADC的采样，同时为增大信噪比所以在后面采用DC放大器。由于DC放大器的增益较大，PSD的直流漂移也会被放大，同时考虑到动态余量，所以AC放大器与DC放大器的增益要合理分配，才能确保一定的动态余量。由于输出的直流分量X、Y只是输入信号的两个分量，还需经过矢量运算电路计算。矢量运算电路由AD采样，通过MSP430单片机计算出输入信号的幅度和相位并在液晶上显示。
3 测试结果分析
通过测试，所有测量结果的误差都控制在了5%以内， 而且随着输入信号幅度的增大测量误差会进一步减小。输入信号频率范围为100Hz～10KHz，可以从比被测信号强80dB以上的干扰信号中检测出目的信号。
4 结束语
本电路有效地实现了从被噪声淹没的信号中提取有用信号的功能，与传统的窄带滤波法相比，本电路有性能好、灵活性高等优点。由于其在微弱信号检测方面的优越性能，可以在科学研究的各个领域得到应用，尤其是在光电领域有着广泛的应用。
（本文审稿 吴艳玲）