锁定放大器
锁定放大器输出波形反相的原因
锁定放大器输出波形反相的原因
锁定放大器是一种广泛应用于科研领域的精密测量仪器，其主要作用
是将输入的微弱信号信号放大并加以处理，以便进行精确的测量和分析。
然而，在实际使用过程中，我们有时会发现锁定放大器输出波形反相
的情况，那么这种现象的原因是什么呢？
首先，我们需要了解锁定放大器的工作原理。
锁定放大器主要包含两
个部分：锁定环路和放大器。
锁定环路主要是指锁定振荡器、参考信
号源和控制电路，其作用是使放大器的输入信号与参考信号同相位，
从而保证输出波形的精确度和稳定性。
然而，在实际使用过程中，由于各种因素的干扰，锁相环可能会失去
同步，导致参考信号和输入信号出现某种程度的相位差，进而导致放
大器输出的波形反相。
常见的干扰因素包括磁场的影响、电源电压的
波动、振荡器的频率漂移等。
此外，有时候反相现象也可能是由于测量装置的错误连接所致，例如，将输入信号线和参考信号线颠倒连接，或者在输入信号和参考信号之
间接入了反相器等。
针对上述情况，我们可以如何解决呢？首先，我们需要保证锁相环的稳定性和精确性，通常采用的方法包括降低外界干扰、加强系统的抗干扰能力，以及精确校准参考信号等。
此外，在实际连接过程中，我们应该仔细检查连接是否正确，避免连接错误导致的反相现象。
总之，锁定放大器输出波形反相的原因是多种多样的，我们需要充分了解仪器的工作原理和连接方式，并采取相应的措施加以解决，以充分发挥锁定放大器的测量和分析功能。
锁相放大器基本原理
锁相放大器基本原理锁相放大器（lock-in amplifier）是一种高精度的电子测量设备，是利用同步检测技术对弱信号进行放大的一种方法。
它可以通过抑制噪声，增加测量信号的信噪比，从而提高测量精度。
锁相放大器广泛应用于科学研究、精密测量、信号处理等领域。
锁相放大器的基本原理是通过与输入信号进行相位锁定，以获得信号的正弦成分，并通过放大和滤波等处理，最终得到一个精确测量值。
下面将详细介绍锁相放大器的工作原理。
1. 相位锁定锁相放大器需要获取一个参考信号，通常通过输入到参考输入端口上，这个参考信号可以是一个外部信号源产生的参考信号，也可以是输入信号中的某一部分。
锁相放大器将参考信号分成两个信号，一个是正弦波（reference signal），另一个是余弦波（quadrature signal）。
锁相放大器接收到待测信号后，将待测信号与正弦波相乘，经过低通滤波器后输出相干检测信号（in-phase signal），再将待测信号与余弦波相乘，经过低通滤波器后输出正交检测信号（quadrature signal）。
这两个信号的相位差就是输入信号的相位。
将相干检测信号和正交检测信号分别输入到两个输入通道后，通过比例放大器放大信号的幅度，使待测信号和参考信号的相位锁定。
2. 信号放大锁相放大器通过放大信号的幅度来提高测量的灵敏度。
通常情况下，锁相放大器的放大倍数可达到几百万倍。
锁相放大器的放大倍数和滤波器的带宽有密切的关系。
放大倍数越大，需要的滤波器带宽越小。
3. 滤波处理锁相放大器采用低通滤波器对输入信号进行滤波处理。
滤波器的带宽可以通过滤波器控制电路进行调节。
对于较宽的带宽，锁相放大器可以对高频噪声信号进行有效抑制，提高信号的信噪比。
对于较小的带宽，锁相放大器可以提高信号的时域和频域分辨率。
4. 数据输出锁相放大器最终输出的是经过放大和滤波处理后的幅度和相位信息。
通过这些信息，可以得到一个精确的测量值。
锁定放大器原理实验
锁定放大器原理实验一、实验目的l 、了解相关器的原理，测量相关器的输出特性；2、了解锁定放大器的原理及典型框图；3、根据典型框图，组装锁定放大器；熟悉锁定放大器的使用方法二、实验原理实际测量一个被测量时，无用的噪声和干扰总是伴随着出现，影响了测量的精确性和灵敏度。
特别当噪声功率超过待测信号功率时，就需要用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原始信号。
这些检测仪器是根据改进信噪比的原则设计和制作的。
可以证明，当信号的频率和相位己知时。
采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大，微弱信号检测的著名仪器锁定放大器，就是采用这一技术设计与制造的。
锁定放大器是以相干检测技术为基础，其核心部分是相关器，基本原理框图如图1所示。
而锁定放大器的主要由三部分组成，即：信号通道(相关器前那一部分)、参考通道和相关器(包括直流放大器)。
首先介绍相关器：它是锁定放大器的核心部分，其基本原理如下：1、相关接收原理微弱信号检测的基础是被测信号在时间轴上具有前后相关的特性。
相关函数是表征原函数的线形相关得度量。
因此，直接实现计算相关函数，就可以实现从噪声中检测被淹没的信号。
利用随机过程的自相关函数来检测信号称为自相关接收：利用两个随机过程得互相关函数来检测信号称为互相关接收。
由于自相关接收的抗干扰能力没有互相关接收强，并且实现起来也比较复杂，因此，在微弱信号检测中，几乎都采用互相关接收。
互相关接收对于已知为周期性的信号的检测十分有用。
如图2所示，输入乘法器的两路信号中，e 1(t)为被检测信号，是V A (t)与背景信号V n (t)的叠加，e 2(t)为在接收设备中设法产生的与被检测信号V A (t)同步的参考信号V B (t)。
将参考信号与杂有噪声的输入信号进行相关，得到被测信号的相关函数，就代表了被测信号。
()()()t V t V t e n A +=1图1.锁定放大器的基本原理图其相关函数为：12121()lim ()()21lim [()()]()2()()T TT T A n B TT AB AB R e t e t dt T V t V t V t dt T R R t ττττ−→∞−→∞=−=+−=+∫∫ 由于噪声V n (t)与参考信号V B (t)的相关性，R NB (τ)=0，因此有()()ττAB R R =12利用互相关接收的原理可以构成锁相放大器的核心电路一相关器。
锁定放大器及其在实际中的应用ppt课件
微弱信号检测
徐公杰 2012-11-9
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第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
第四章 锁相放大器
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第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
式中f1(t) 和 f2(t)为两个周期信号，τ为两个信号之间的任意延迟时间，T为平均积 分时间（或称为时间常数）。
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第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
可以证明，只有当 f1(t) 和 f2(t) 为同频信号时，才可能
有较大的输出值。锁相放大器正是利用了这个特性，在随 时间的演变过程中两个同频信号可以相互关联，而噪声作 为随机变量与被测信号不相关联，经过长时间积分平均后 对周期性重复信号的累计要比对随机噪声的累计大得多， 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。
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
斩光器，通常调制频率为几百赫兹
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第四章 锁相放大器
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
互相关函数
两个具有确定频率和相位的周期性信号，它们的相关特性可以用互相关函数来表 达：
lim R 1(2)T 2 1 T T Tf1 (t)f2(t)d t
微弱信号检测 (Weak Signal Detection)
上式说明当输入信号与参考信号频率相等时，相关检测的
微弱信号检测技术第四讲锁定放大技术
现监频监相。
• 2、 x(t)为正弦波，r(t)为方波
x(t)=Vscos(w0t+q)
r(t)
4Vr
(1)n1
n1 2n 1
cos[(2n
1)w0t]
• PSD输出为：
u p (t)
2VsVr
n1
(1)n1 2n 1
cos[(2n
为q＋ 90°
• 正交矢量型锁定放大器的同相输出：
I Vs cosq
• 正交输出：
Q Vs sin q
• 被测信号的幅度和相位：
Vs I 2 Q2
q arctan(Q / I )
4.3.3 外差式锁定放大器
• 利用频率变换器将输入信号的频率变换到 一个固定频率上，然后进行带通滤波和相 敏检测，以便带通滤波器和相敏检测器的 最佳设计，以及避免带通滤波器的调节。
• 信号通道：交流放大输入信号，以满足推 动PSD；滤除带外噪声和干扰； 与信号源进行噪声匹配。
• 参考通道：调理参考信号和调整相位。
• 相敏检测器：对输入信号和参考信号完成乘 法运算，得到二者的和频与差频 的谐波信号。
• 低通滤波器：滤掉高次谐波和高频信号成 分，提取深埋在噪声中的微弱信号。
4.2 相敏检测
• x(t)与r(t)相乘，结果为： up(t)=x(t). r(t)
= 0.5Vscosq Vscos(2w0t+q) +0.5Vncos[(wn+w0) t+a] +0.5Vncos[(wn-w0) t+a]
• 4、 x(t)和r(t)均为方波
锁相放大器
锁相放大器————————————————————————摘要锁定放大器（LIA）是一种检测微弱信号的专用电路。
它能在较强干扰背景条件下，对特定频率信号进行有效测量。
系统是以平衡调制器AD630构成的相敏检波电路为核心，由纯电阻分压模块、被测微弱信号与背景噪声叠加的加法器及交流放大器模块、参考信号整形移相模块、具有锁相功能的微弱信号检测模块、单片机有效值检测显示模块等组成。
被测微小信号与背景噪声叠加后，进行交流放大和带通滤波器与具有参考信号在相敏检波器中叠加，相敏检波器可以在背景噪声中获取与参考信号同频率的有用信号并整流输出，然后对该输出信号进行低通滤波和直流放大后，由单片机AD检测并在液晶上显示出来。
整形移相模块可以用来调整参考信号与被测信号的相位，使之同相。
该系统具有灵敏度高、测量较准确等优点。
关键字：锁相放大器，相敏检波器，移相，有效值检测目录一、系统方案选择与论证............... 错误!未定义书签。
1.2设计思路与框图 0二、系统分析与计算 (1)2.1 纯电阻分压电路 (1)2.2 加法器 (1)2.3 交流放大器 (2)2.4 带通滤波器 (3)2.5 相敏检波器 (4)2.6 低通滤波器 (4)2.7 参考通道 (5)2.8 输出显示.................... 错误!未定义书签。
2.8.2 程序流程图........... 错误!未定义书签。
三、测试方案与测试结果 (6)3.1检测方法与结果 (6)3.2测试结果分析 (9)四、实物演示......................... 错误!未定义书签。
六、参考文献 (9)于负半周时，场效应管导通，差分放大器相当于一个反相比例放大电路，输出为-S(t)，这样在输出端看到的就是一个直流信号，类似于S(t)经过整流后的效果。
方案二：数字相敏检波器图3 数字相敏检波该方案其实质相当于一个乘法器和一个积分器（如图3）。
锁定放大器学习资料
●从实际物理过程上给予PSD以解释： 由于开关以一定的频率实现开和关， 只有和开关动作的频率相同且相位相同的 信号才能通过， 或者与开关动作频率成奇数倍的信号能通 过少量的信号， 但只剩下奇数倍分之一， 偶数倍的完全相互抵消了。
2 相关器的数学分析
相关检测法的原理： 通过相关运算，即利用一个乘法器和一个积 分器，可以从噪声中将微弱信号检测出来。 因此，从相关分析的理论来看，相敏检波器 及其后续的积分器也可认为是一个相关器。 从相关分析的理论来说，用一个模拟乘法器 和一个积分时间为无限长的积分器，可以从 任意大的噪声中将微弱信号检测出来。
1 信号通道
探测器输出的信号十分微弱，信噪比低于1/103。 信号被噪声和干扰所淹没，
首先经过低噪波器和陷波器将信号进行初步的 予处理，将带外噪声和干扰尽量排除，
再作进一步的放大，以便送到相关器进行检测，
●信号通道的组成十分灵活，可供使用者选择。 要看信号和噪声的实际情况而定。
此时为脉冲输出；
接上电容C1、C2，则输出信号经积分后波形平滑， 且输出为与输入幅度成正比的直流信号。
（2）特性分析 为了分析PSD的特性，用简图表示如下：
Vs
PSD
开关型乘法器
V0
Vs Es sin(1t 1)
VR
参考信号：方波
设VR是如图所示的周期矩形方波：
VR
E
2
T2 2
0
T2 2
T2
E
t
2
参考信号VR波形
2
2
T2
ER
E 2
1V
根据傅里叶级数展开式，有：
VR
4
n0
1 2n
锁相放大器 原理
锁相放大器原理锁相放大器是一种高灵敏度、高稳定性的测量仪器，主要用于测量高精度的弱信号，如光信号和电信号。
其原理是利用参考信号和待测信号的相位差，进行频率选择和信号增益放大。
锁相放大器基本原理是通过一个正弦参考信号和待测信号在相位上的比较来测量待测信号的幅度和相位差。
在锁相放大器中，参考信号经过参考信号发生器产生，同时作为激励信号送入模拟电路，待测信号则在探测器中测量得到，然后送入锁相放大器。
在锁相放大器中，待测信号与参考信号混频，同时将混频信号分为正弦和余弦两路。
正弦和余弦两路信号分别经过相移器和低通滤波器，得到相位和幅度信息，最终输出通过运算放大器得到的结果。
锁相放大器最大特点是可以通过不同相位角的乘法器来进行相位选择，使得信号在不同相角的幅度值得到不同的权重，从而提高锁相放大器的灵敏度和稳定性。
锁相放大器主要有四个部分组成：参考信号发生器、混频器、相位选择器和低通滤波器。
参考信号发生器用于产生基准信号以及参考信号，基准信号一般是一定频率和幅度的正弦波。
混频器用于将待测信号与参考信号进行混频，在混频时需要注意保证混频信号在频率范围内。
相位选择器一般包括相移器、乘法器、运算放大器等，用于对混频信号进行相位角的选择，从而提高锁相放大器的灵敏度和稳定性。
低通滤波器主要用于滤除混频信号中的高频噪声，提高测量精度。
锁相放大器具有很多优点。
首先，相比于其他测量仪器，锁相放大器具有较高的灵敏度和低的噪声；其次，相位选择器可以实现对混频信号相位的选取，提高了系统的稳定性；最后，锁相放大器具备强抗干扰性，能够有效地抑制外部干扰信号，提高测量精度。
锁相放大器广泛应用于生物医学、光学、物理、电学等领域。
其中，在光学领域，锁相放大器主要用于实现光学检测和光学成像；在电学领域，锁相放大器主要用于检测直流信号和交流信号的分量，同时也可以用于测量电容、电感和电阻等电学元件的参数。
在物理领域，锁相放大器主要用于精密时间测量和振动测量等领域。
锁定放大器实验
2锁定放大器实验锁定放大器（LOCK—in Amplifier），简称LIA。
它是一个以相关器为核心的微弱信号检测仪器，它能在强噪声情况下检测微弱正弦信号的幅度和相位。
当我们对相关器有所了解以后，就可以将它构成锁定放大器。
安排本实验的目的是使同学了解锁定放大器的基本组成，掌握锁定放大器的正确使用方法。
一、锁定放大器的基本组成锁定放大器的基本结构框图如图10-2-1所示。
它有四个主要部分组成：信号通道、参考通道、相关器（即相关检测器）和直流放大器。
现分别介绍如下：图10-2-1 锁定放大器的基本结构框图1、信号通道信号通道包括：低噪声前置放大器、带通滤波器及可变增益交流放大器。
前置放大器用于对微弱信号的放大，主要指标是低噪声及一定的增益（100倍～1000）倍。
可变增益交流放大器是信号放大的主要部件，它必须有很宽的增益调节范围，以适应不同的输入信号的需要。
例如，当输入信号幅度为10nV，而输出电表的满刻度为10V时，则仪器总增益为10V/10 nV＝１０９，若直流放大器增益为１０倍，前放增益为１０３，则交流放大器的增益达１０５。
带通滤波器是任何一个锁定放大器中必须设置的部件，它的作用是对混在信号中的噪声进行预滤波，尽量排除带外噪声。
这样不仅可以避免PSD过载，而且可以进一步增加PSD 输出信噪比，以确保微弱信号的精确测量。
常用的带通滤波器有下列几种：（1）高低通滤波器图10-2-2为一个高通滤波器和一个低通滤波器组成的带通滤波器，其滤波器的中心频率f0及带宽B由高低滤波器的截止频率f c1和f c2决定。
锁定放大器中一般设置几种截止频率，从而根据被测信号的频率来选择合适的f0及带宽B 。
但是带通滤波器带宽不能过窄，否则，由于温度、电源电压波动使信号频谱离开带通滤波器的同频带，使输出下降。
为了消除电源50Hz的干扰，在信号通道中常插入阻带滤波器，有称陷波滤波器。
图10-2-2 高低通滤波器原理（2）同步外差技术上述高低通滤波器的主要缺点是随着被测信号频率的改变，高低通滤波器的参数也要改变，应用很不方便。
锁相放大器的使用方法与注意事项
锁相放大器的使用方法与注意事项引言：在现代科学研究和工程应用中，锁相放大器作为一种重要的电子测量仪器被广泛使用。
它能够提取出微弱信号，并将其放大，同时抑制噪声的干扰，从而实现高精度的测量。
本文将介绍锁相放大器的使用方法以及需要注意的事项。
一、锁相放大器的基本原理锁相放大器是利用同步相位侦测原理来提高信号的测量灵敏度。
它通过将待测信号与参考信号进行相位比较和放大，使得信号的幅值提高，并消除噪声的影响。
其基本原理是将待测信号与参考信号进行乘积运算，再通过低通滤波器得到直流分量，实现信号的提取和放大。
二、锁相放大器的使用步骤1. 连接与设置首先，将待测信号源与锁相放大器相连，并确保电缆连接良好。
然后，设置参考信号源，调节其频率和幅度，使之满足实际应用需求。
同时，还需要设置滤波器和增益控制参数，以获得较好的测量结果。
2. 校准和调节在使用锁相放大器前，必须进行校准和调节。
校准时，将参考信号源设置为0相位，并调节放大倍数为1。
然后，将待测信号输入锁相放大器，调节相位补偿器，使得待测信号与参考信号的相位差最小。
调节完成后，可进一步调整放大倍数，以达到最佳测量效果。
3. 信号测量在进行信号测量时，先选择合适的测量模式，如调幅、调频或调相等。
然后，根据实际测量需求，选择合适的滤波器类型和频率，以去除噪声和杂散信号。
调节相位和增益控制参数，使得信号在正确的范围内，并满足测量要求。
三、锁相放大器使用中需要注意的事项1. 信号源的稳定性锁相放大器对信号源的稳定性要求较高。
因此，在进行测量前，需确保信号源的输出功率、频率、相位等参数稳定，并进行必要的校准和调节。
2. 外部干扰的排除由于环境中存在各种干扰源，如电磁干扰、机械振动等，测量时需采取措施排除这些干扰。
例如，使用屏蔽箱或增加信号隔离器等。
3. 正确设置滤波器滤波器的选择和设置直接影响测量结果的精度和稳定性。
应根据待测信号的频率特性和噪声的频谱分布，选择合适的滤波器类型和频率带宽。
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实 验 四 锁定放大器
一、实验目的
1. 了解锁定放大器的原理及典型框图
2. 根据典型框图，连成锁定放大器
3. 熟悉锁定放大器的使用方法
二、实验原理
锁定放大器的基本原理：
相关器乘法
低通
锁定放大器分三部分：信号通道、参考通道、相关器
（1） 信号通道作用：把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉
部分干扰和噪声，扩大仪器动态范围。
（2） 参考通道：作用，产生于被测信号同步的参考信号输给相关器。
（3）
相关器是锁定放大器的核心，把放大后的输入信号与参考信号进行相关运算，达到
从噪声或干扰中检测有用信号。
锁定放大器相当于以为中心频率的带通放大器，等效信号带宽由相关器的时间常数决定
锁定放大器等效噪声带宽：
抑制噪声能力：
三、实验内容与测试
1. 锁定放大器对微弱电压信号的测试
2. 接通电源，预热，调节多功能信号源，输出正弦波。
频率1.1KHz ，电压100mv ，由精
密衰减器衰减输出100nv 微弱信号进行测量。
f s =1.1KHz ，V s =100nV ，T e =0.1s,Q=3 f s =1.1KHz ，V s =100nV ，T e =1s,Q=3
f s =1.1KHz ，V s =100nV ，T e =10s,Q=3
四、实验结论
(1)利用锁定放大器提取深埋在背景信号噪声中的信号时，加大时间常数，可以提高输出信噪比。
(2)在选择时间常数时，要考虑侧信号的响应时间，时间常数过长，将会把有用信号平均掉，使测量结果不能反映待测物理量，时间常数的选择需考虑信号响应速度和输出信噪比两个因素。