Signal Recovery锁相放大器选型指南
锁相放大器介绍
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
第四章 锁相放大器
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
1.概述
自从1962年，美国EG&G PARC公司制作了第一台锁相放大器(LIA)的后， 微弱信号检测技术得到了突破性的发展。后来又出现了模拟锁相放大器 (ALIA) 和数字锁相放大器(DLIA) 。对于数字锁相放大器而言，又出现 基于单片机的DLIA 和基于专用DSP的DLIA 。还有基于PC 的系统级模块 化DLIA ，这种锁相的算法是采用C， C++等语言实现的。由于整个系统 运行在PC平台上，所以可以使用各种仿真软件对算法进行研究。
多，从而有可能将深埋于噪声背景中的信号取出，这就是 相关检测方法能提高信噪比的原因。
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
相关检测方框图
R12 ( ) lim
T
1 2T
T
T
f1 (t ) f 2 (t )dt
我们可以按照上式来设计一个电路，其方框图如下， f1(t) 和 f2(t) 为周期函数：
测量过程
斩光器 光源 探测器 信号
Lock-in
输出信号
参考信号
I
ωm
λ( t ) I ωm
λ(t)
第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
在使用过程中须注意对相位的调整，只有在某个恰当的相位 条件下有最大幅度的输出信号。此外，积分时间常数 T 的选 取也很重要，时间常数T 越长，相当于低通滤波器的带宽越窄， 对噪声的抑制能力越强。但由于我们所测量的是一个幅度缓慢 变化的信号 V1(t)，它仍然占有一定的频带宽度，因此，低通 滤波器就需要有一定的带宽，保证该信号通过。如果时间常数
运算放大器选型指南
快速选型指南——精密放大器(插页)................................ 7 轨到轨输入/输出............................................. . . . . . . . 34
按性能规格分类的放大器选型指南
FastFET (FET输入)............................................... . . . . . . 35
共模抑制比(CMRR) 共模电压范围(CMVR)与此范围内的输入失调电压(ΔVoOS)变化的比 值，结果用dB表示。CMRR (dB) = 20log (CMVR/ΔVOS)
全功率带宽 指在单位增益下测得的最大频率，在该频率下，额定负载上可 以获得一个正弦信号的额定输出电压，并且压摆率限制不会导 致失真。
选择运算放大器并非易事，可供选择的放大器类型、类别、架 构和参数如此之多，因此选择过程可能相当困难。每位客户和 每种应用所要求的性能可能都略有不同。无论您是设计咖啡机
(不错，咖啡机中也会使用运算放大器)，还是新一代医疗成像系 统，ADI公司都能提供合适的放大器来满足您的需求。
本手册将能够帮助您轻松快捷地找到满足您应用需求的运算放大 器。手册包括如下内容：运算放大器术语和用于制造IC的工艺说 明、各种选型表、应用指南、设计工具，以及一份方便易用的运 算放大器参考挂图插页。希望您经常查阅这份选型指南，它将帮 助您更好地了解和鉴识运算放大器及其诸多应用。
轨到轨输出. . . . . . . . . . . . . . . ...................................... ..... 24 通信.................................................................. 46
宽频带数字锁相放大器 7280 7280BFP
技术参数：
电压输入
输入噪音@1kHz 5nV/√Hz
共模抑制比
〉100dB
输入阻抗
100 兆欧 // 25 pF
满刻度灵敏度 10nV～1V
电流输入
输入噪音
13fA/√Hz
灵敏度
1pA-10uA
输入电阻
﹤250欧@ 1 kHz
参考通道
频率范围
0.5Hz～2MHz
谐波分析
2f～32f
相位分辨率
0.01°
相互垂直度
90±0.0001°
解调器
动态储备
〉100dB
输出滤波器
滚降
6,12,18&24dB
时间常数
1us-100ks
© 2005-2009 必和国际贸易(香港)有限公司 版权所有，并保留所有权利。 上海市长乐路989号2006室，邮编：200031，电话：021-60896520,13661956095，, info@
file:///D|/bihecpdf/宽频带数字锁相放大器 7280 7280BFP锁相放大器.htm[2010-1-9 0:58司所有，如需要详细资料，请同我公司联系！
主要特点： 1.大屏幕液晶显示 2.振荡器频率扫描 3.振荡器振幅扫描 4.内置频率响应 5.双参考模式 6.双谐波模式 7.虚参考模式 8.被测信号频谱显示 9.使用Aquire软件(选件）可以采集输出信号，支持LabView驱动软件。 10.7280BFP与7280完全指标、性能完全相同，是无前面板设计,只用于计算机控制，比7280更优惠。具体功能同7265锁相放大器相似，相当于7265的高级版。
宽频带数字锁相放大器 7280 7280BFP锁相放大器
仪器描述
锁相放大器的使用
表一 输出直流电压udc与输入信号幅值的关系
输入信号幅值（mv）
262
210
154
112
直流电压udc（v）
-38
-44
-50
-55
图七udc与输入信号幅值的关系
表二输出直流电压udc与输入信号和参考信号相位差的关系
φ
2
56
87
123
174
210
图五输入方波，参考信号和输入信号相位差分别为0°、90°、180°、270°
分析以上实验可得出以下结论：
1)输入信号的峰峰值约为0.6V，而参考信号的峰值为9V，说明宽带相移器对参考信号有放大作用；参考信号的幅度不随输入信号的幅度变化而变化，说明宽带相移器经过内部电路对信号的放大，输出的是一个较为稳定的电压值，不随输入信号变化；
2)宽带相移器输出的参考信号的频率随输入信号频率变化而变化，因为宽带相移器不改变输入其中的信号的频率，输出的是同频率的参考信号。
3)无论输入信号是正弦波、三角波和方波，参考信号都是占空比为1:1的方波，说明宽带相移器把被测信号的任何一种波形转换为占空比为1:1的方波；
二、相敏检波器特性研究及主要参数测量
③相关器对噪声的抑制及信噪比改善测量
实验数据及相关计算结果如表四：
表四不同时间常数下相关器的信噪比改善
输入信号电压
50mV
白噪声输入电压
105mV
输入信噪比
0.48
时间常数RC
信号电压V
噪声电压V
输出信噪比
信噪比改善
0.1s
5.75
1.55
3.71
7.79
1s
锁相放大器设计
C题：锁定放大器的设计摘要：本设计对于检测微弱信号的锁存放大器进行论述，锁定放大器主要包括交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器及液晶显示等几个部分。
其中，交流放大器以INA128为主要构成部件，实现交流信号的放大从而作为带通滤波器的输入；带通滤波器用UAF42构成，实现对900Hz到1100Hz频带范围的滤波过程，其误差小于20%；相敏检波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信号在输入低通滤波器经直流放大器放大后输入显示电路，显示出被测信号的幅度及有效值。
另外，在相敏检波器部分的方波驱动信号由参考信道的参考信号经触发整形、移相、比较而来。
同时，为了更好的检测出锁定放大器的性能，在信号的输入端增加加法器电路，实现被测信号与干扰信号的1:1叠加，当干扰信号的频率为1050Hz—2100Hz时，输出端的测量误差小于10%。
锁定放大器在实际应用中用途广泛，尤其对于微弱信号检测方向站着主导地位，随着科技的发展已渐渐的融入人类的生活之中，拥有很好的发展前景。
关键词：带通滤波器；相敏检波器；显示；方波驱动1 总体方案设计1.1方案比较与选择1.1.1微弱信号检测模块方案比较方案一：采用滤波电路检测微弱信号，通过滤波电路将微弱信号从强噪声中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，由此可见该方案不满足要求。
方案二：采用取样积分电路检测小信号，采用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善√N倍，但这种方法取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。
方案三：采用锁相放大器检测小信号，锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器等组成，其中相敏检波器(PSD)是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有良好的检波特性。
由于该被测信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适用于锁相放大器的工作情况，故选择方案三。
Signal Recovery锁相放大器选型指南
11. 最大动态储备> 100 dB
微弱信号检测 — 半个世纪的骄傲
电流输入 1. 输入模式:低噪声(108 V/A) ，宽频带(106 V/A) 2. 满刻度灵敏度:低噪声 2 fA to 10 nA 按 1-2-5 顺序步进 3. 满刻度灵敏度: 宽频带 2 fA to 1 µA 按 1-2-5 顺序步进 4. 输入噪声：低噪声 13 fA/√Hz @ 500 Hz 5. 输入噪声：宽频带 130 fA/√Hz @ 1 kHz 6. 阻抗：低噪声< 2.5 kΩ @ 100 Hz 7. 阻抗：宽频带< 250 Ω @ 1 kHz 8. 增益精度：±2.0% 典型值, 中频
解调器和输出 1. X,Y,R 输出-时间常数 10 us to 640us（二进制序列） 2. X,Y,R 输出-滚降 6dB/octave 3. 所有输出-时间常数 5ms to 100ks 按 1-2-5 顺序步进 4. 所有输出-滚降 6, 12, 18 and 24 dB/octav 5. 绝对相位测量精度 ≤ 0.01°
01065202182电流输入输入模式低噪声和宽带宽满刻度灵敏度低噪声2fa10na按125顺序步进满刻度灵敏度宽带宽2fa按125顺序步进100db噪声低噪声13fahz500hz噪声宽带宽13pahz06typmidband阻抗低噪声25k?100hz阻抗宽带宽250?1khz参考信号通道ttl输入0001hz正弦输入03hz250khz250khz相位设置分辨率0001增量100mstc12dboctaveslope内部参考00001rms100mstc12dboctaveslope外部参考001rms00001解调器和输出输出时间常数10us100ks按125顺序步进所有输出滚降6121824dboctav001振荡器频率0001hz绝对精度50ppm幅度扫描0000v5000vrms仅线性扫描最快50ms步频率扫描0001hz250khz线性和对数扫描最快50ms步振荡器可作为信号源独立使用其他数据缓存32k点存储adc以及锁相放大器输出数据能将数据绘成图形
锁相放大器
锁相放大器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。
锁相放大器处理直流信号
锁相放大器处理直流信号摘要：一、锁相放大器基本原理二、锁相放大器在处理直流信号中的应用三、锁相放大器的优势与局限性四、如何选择合适的锁相放大器正文：一、锁相放大器基本原理锁相放大器（Lock-in Amplifier）是一种具有高度selective（选择性）、high-impedance（高阻抗）和high-gain（高增益）特性的放大器。
其基本原理是通过将输入信号与本振信号进行混频，得到一个交流信号，然后对交流信号进行放大，最后通过低通滤波器得到放大后的直流信号。
二、锁相放大器在处理直流信号中的应用锁相放大器在处理直流信号时，可以有效地抑制噪声和干扰，提高信号的信噪比。
在实际应用中，锁相放大器广泛应用于电信号处理、生物医学信号处理、通信系统等领域。
1.电信号处理：在电信号测量中，锁相放大器可以有效地抑制工频干扰、电磁干扰等，从而提高测量精度。
2.生物医学信号处理：在生物医学领域，锁相放大器可以用于心电信号、脑电信号等微弱信号的检测，提高信号质量。
3.通信系统：在通信系统中，锁相放大器可以用于放大和处理基带信号、载波信号等，提高通信质量。
三、锁相放大器的优势与局限性1.优势（1）高增益：锁相放大器具有很高的增益，可以放大微弱信号，提高信号质量。
（2）高选择性：锁相放大器对特定频率的信号具有很高的选择性，可以有效抑制噪声和干扰。
（3）线性度好：锁相放大器具有很好的线性度，能够保证信号的失真度较低。
2.局限性（1）成本较高：锁相放大器的制作成本相对较高，尤其是在高性能锁相放大器方面。
（2）体积较大：锁相放大器通常需要一定的体积来容纳相关电路，因此在便携式设备中应用受限。
四、如何选择合适的锁相放大器1.确定应用场景：根据实际应用需求，选择适合的锁相放大器，如电信号处理、生物医学信号处理等。
2.选择合适的增益范围：根据待放大信号的幅度范围，选择合适的增益范围，以保证信号不被过载。
3.考虑带宽和频率响应：根据信号的频率特性和噪声特性，选择具有合适带宽和频率响应的锁相放大器。
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7280 (DLIA)
0.5~2M
5210 (ALIA)
0.5~120k
5105 (ALIA)
5~20k
灵敏度(FS) 动态储备
2nV~1V 2fA~1uA
>100dB
2nV~1V 2fA~1uA
>100dB
2nV~1V 2fA~1μA
>100dB
2nV~1V 2fA~1μA
>100dB
10nV~1V 10fA~1μA
其他 1. 数据缓存 32k 点,存储 ADC 以及锁相放大器输出数据，能将数据绘成图形。 2. 频谱显示，用于帮助选择合适参考信号 3. 最大测量 65536 次谐波 4. 双参考功能：同时使用两个不同的参考信号 F1 和 F2 对信号 F 进行测量
F1 和 F2 ≤20kHz
北京三尼阳光科技发展有限公司 电话：010-65202180 传真：010-65202182
微弱信号检测 — 半个世纪的骄傲
Signal Recovery 锁相放大器选型指南
频率(Hz)
7124 (DLIA)
0.5~150k
7270 (DLIA)
7225 (DLIA)
7265 (DLIA)
7230 (DLIA)
0.001~250k 0.001~120k 0.001~250k 0.001~120k
谐波抑制
>90dB
>90dB
>90dB
>90dB
>90dB
>90dB
>80dB
谐波测量
127F
127F
32F
65536F
127F
32F
双谐波
双参考 双谐波
常用
双参考 双谐波
双参考 双谐波
宽带
常用
电压
电、光、磁、声、热、超导、振动等测量；各种谱仪、电镜扫描探头、原子力显微镜等应用；以及 AC 阻抗测 用于仪器配套
（100Hz < F ≤ 250kHz） 6. 具有 RS-232,USB,以太网接口
北京三尼阳光科技发展有限公司 电话：010-65202180 传真：010-65202182
微弱信号检测 — 半个世纪的骄傲
7230 型数字锁相放大器 性价比极高的小巧型仪器
尺寸 390mm×250mm×75mm，主流仪器中体积最小 1mHz 到 120kHz 的频率范围,可扩频至 250kHz 1.0 MHz 主 ADC 取样率 10us 至 100ks 输出时间常数 频率和幅度可调的正弦波振荡器 谐波测量达 127F 双参考信号、双谐波和虚拟参考信号模式 USB,RS232 以及 LAN 接口
参考信号通道 1. TTL 输入 0.001 Hz to 250kHz 2. 正弦输入 0.3 Hz to 250 kHz 3. 方波输入 2Hz to 250 kHz 4. 相位设置分辨率 0.001° 增量 5. 相位噪声 @ 100 ms TC, 12 dB/octave slope-内部参考 < 0.0001° rms 6. 相位噪声 @ 100 ms TC, 12 dB/octave slope-外部参考 < 0.01° rms @ 1 kHz 7. 正交性 90° ± 0.0001°
参考输入 1. TTL 输入 1 mHz to 250kHz 2. 正弦波输入 0.5 Hz to 250 kHz 3. 方波输入 2 Hz to 250kHz 4. 相位设置分辨率 0.001° 增量 5. 相位噪声@ 100 ms TC, 12 dB/octave slope: 内部参考< 0.0001° rms；外部参考< 0.01° rms @ 1 kHz 6. 正交性 90° ± 0.0001°
解调器和输出处理 1. 时间常数:10us to100ks(1-2-5) 2. 滚降斜率: TC < 5 ms，6 or 12 dB/octave；TC > 5 ms，6 ,12,18or24 dB/octave； 3. 相位测量精度< 0.01°
振荡器 1. 频率 1 mHz to 250kHz 2. 设置分辨率 1 mHz 3. 具有幅度扫描和频率扫描功能
北京三尼阳光科技发展有限公司 电话：010-65202180 传真：010-65202182
微弱信号检测 — 半个世纪的骄傲
电流输入 1. 输入模式 低噪声和宽带宽 2. 满刻度灵敏度-低噪声 2fA to 10nA 按 1-2-5 顺序步进 3. 满刻度灵敏度-宽带宽 2fA to 1µA 按 1-2-5 顺序步进 4. 最大动态储备 > 100 dB 5. 噪声-低噪声 13 fA/√Hz @ 500 Hz 6. 噪声-宽带宽 1.3 pA/√Hz @ 1 kHz 7. 增益精度 ± 0.6%typ, midband 8. 阻抗-低噪声<2.5kΩ@100 Hz 9. 阻抗-宽带宽<250Ω@1k Hz
>100dB
10nV~1V 10fA~1μA
>100dB
100nV~3V 1pA~0.3mA
>130dB
10μV~1V >80dB
时间常数 10us~100ks 10us~100ks 10μs~100ks 10μs~100ks 10μs~100ks 1μs~100ks
1ms~3ks
0.3ms~10s
解调器和输出 1. X,Y,R 输出-时间常数 10 us to 640us（二进制序列） 2. X,Y,R 输出-滚降 6dB/octave 3. 所有输出-时间常数 5ms to 100ks 按 1-2-5 顺序步进 4. 所有输出-滚降 6, 12, 18 and 24 dB/octav 5. 绝对相位测量精度 ≤ 0.01°
北京三尼阳光科技发展有限公司 电话：010-65202180 传真：010-65202182
11. 最大动态储备> 100 dB
微弱信号检测 — 半个世纪的骄傲
电流输入 1. 输入模式:低噪声(108 V/A) ，宽频带(106 V/A) 2. 满刻度灵敏度:低噪声 2 fA to 10 nA 按 1-2-5 顺序步进 3. 满刻度灵敏度: 宽频带 2 fA to 1 µA 按 1-2-5 顺序步进 4. 输入噪声：低噪声 13 fA/√Hz @ 500 Hz 5. 输入噪声：宽频带 130 fA/√Hz @ 1 kHz 6. 阻抗：低噪声< 2.5 kΩ @ 100 Hz 7. 阻抗：宽频带< 250 Ω @ 1 kHz 8. 增益精度：±2.0% 典型值, 中频
振荡器 1. 频率 0.001 Hz to 250kHz 2. 设置分辨率 1 mHz 3. 绝对精度 ±50ppm 4. 幅度扫描 0.000V to 5.000Vrms 仅线性扫描，最快 50ms/步 5. 频率扫描 0.001 Hz to 250kHz 线性和对数扫描，最快 50ms/步 6. 振荡器可作为信号源独立使用
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11. 最大动态储备> 100 dB
微弱信号检测 — 半个世纪的骄傲
电流输入 1. 输入模式:低噪声(108 V/A) ，宽频带(106 V/A) 2. 满刻度灵敏度:低噪声 10 fA to 10 nA 按 1-2-5 顺序步进 3. 满刻度灵敏度: 宽频带 10 fA to 1 µA 按 1-2-5 顺序步进 4. 输入噪声：低噪声 13 fA/√Hz @ 500 Hz 5. 输入噪声：宽频带 130 fA/√Hz @ 50 kHz 6. 阻抗：低噪声< 2.5 kΩ @ 100 Hz 7. 阻抗：宽频带< 250 Ω @ 1 kHz 8. 增益精度：±2.0% 典型值, 中频
7265 锁相放大器核心指标
频率范围 1. 1mHz ≤ F ≤ 250kHz
电压输入 1． 输入模式：A , -B 单端输入或差分输入(A-B) 2． 满刻度灵敏度：2 nV to 1 V 按 1-2-5 顺序步进 3． 最大动态储备 > 100 dB 4． 阻抗-单端输入 10 MΩ // 30 pF 5． 阻抗-双极性输入 10kΩ // 30 pF 6． 电压噪声-单端输入 5nV/√Hz @ 1 kHz 7． 电压噪声-双极性输入 2nV/√Hz @ 1 kHz 8． 共模抑制比 > 100 dB @ 1 kHz 9． 增益精度 ±0.2% typ 10.失真 -90 dB THD (60 dB AC gain, 1 kHz)
7270 锁相放大器核心指标
频率范围 1. 1 mHz ≤ F ≤ 250 kHz
电压输入 1. 输入模式:A , -B 单端输入或差分输入(A-B) 2. 频率范围: 1 mHz ≤ F ≤ 250kHz 3. 满刻度灵敏度:2nV to 1 V 按 1-2-5 顺序步进 4. 阻抗 – FET 输入 10 MΩ // 25 pF, 直流或交流耦合 5. 阻抗 – 双极性输入 10 kΩ // 25 pF, 直流耦合 6. 电压噪声 – FET 输入 5 nV/√Hz @ 1 kHz 7. 电压噪声 – 双极性输入 2 nV/√Hz @ 1 kHz 8. 共模抑制比: > 100 dB @ 1 kHz，随着频率的增加，衰减最大不会超过 6 dB/octave 9. 增益精度:±0.5% typ, ±1.0% max 10. 失真:-90 dB THD (60 dB AC gain, 1 kHz)
典型应用 量、AC 桥、反馈控制环等。
和教学
注：以上产品选型指南的详细参数请见下面各个产品的具体资料介绍。
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