锁相放大器的工作原理.pptx
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）。
第四讲 锁定放大技术
第四讲 锁定放大技术
4.1 概述
• 锁定（锁相）放大器（lock-in amplifier） 就是利用互相关原理设计的一种同步相关 检测仪。 • 锁定放大电路利用相关检测技术，基于互 相关原理，使输入待测的微弱周期信号与 频率相同的参考信号在相关器中实现互相 关，从而将深埋在大量的非相关噪声中的 微弱有用信号检测出来，起着检测器和窄 带滤波的双重作用。
4.2 相敏检测
• 相敏检测器是锁定放大器的核心部件， 鉴幅又鉴相。 • 相敏检测器实现了被测信号与参考信 号的互相关运算。 • 通常有模拟乘法器型相敏检测器和电 子开关型相敏检测器。其中电子开关 式相敏检测器由于受到参考信号幅度 波动的影响较小，所以得到更广泛的 应用。
4.2.1 模拟乘法器型相敏检测器 • 相敏检测器输出up(t)： up(t)=x(t)· r(t)
• 3、低通滤波器
• 低通滤波器的作用就是滤除PSD输出的高频部分。 低通滤波器的时间常数RC越大，锁定放大器的通 频带宽就越窄，抑制噪声的能力就越强。 • 时间常数RC通常做成可调的，以适应不同被测信 号的频率特性需求。
4.3.2 正交矢量型锁定放大器
• 采用两组相敏检测器和LPF，实现同时 输出同相分量和正交分量。
SNIR
f N 1 f NLPF
• 其中△fN1为PSD的前置级电路的等效噪声带 宽；∆fNLPF为PSD中的LPF的等效噪声带宽。
• ④相敏特性 • 当输入信号为一恒定幅度的与参考信号同 步的对称方波时。PSD的输出直流电压和 参考信号与位相差φ成线性关系。PSD可以 作鉴相器使用。
4.3 锁定放大器的组成与类型
n 1
2VrVn
(1) n 1 cos[(wn (2n 1)w0 )t ] n 1 2n 1
《锁定放大技术》PPT课件
• 输入信号的采样离散值为：
x(k)x(t)p(t) x(k)T (tk)T
M t0 精选PPT
M43
• 参考信号和输入信号相乘后积分输出：
u0
1
N
x(k)r(k)
Nk1
精选PPT
44
4.3.4 锁定放大器的特点
• 锁定放大器的特点如下：
• (1)锁定放大器相当于以参看频率fr为中心频
精选PPT
7
4.2 相敏检测
• 相敏检测器是锁定放大器的核心部件， 鉴幅又鉴相。
• 相敏检测器实现了被测信号与参考信 号的互相关运算。
• 通常有模拟乘法器型相敏检测器和电
子开关型相敏检测器。其中电子开关
式相敏检测器由于受到参考信号幅度
波动的影响较小，所以得到更广泛的
应用。
精选PPT
8
4.2.1 模拟乘法器型相敏检测器
x(t)=Vscos(w0t+q)
r(t)4 V rn 1(2 n 1) n 1 1co2s n [1)(w0t]
精选PPT
12
• PSD输出为：
up(t)2VsVr n 1(2n1)n11cos2[n(2)w0tq]
2VsVr
n 1(2n1)n11cos2n(w0t)
• 滤波器LPF输出为：
精选PPT
24
• 2、运算放大器式电子开关相敏检测器
采用-A增益运放和+A增益运放代替上面 的变压器，同样可以实现PSD功能。
精选PPT
25
• 3、电子开关式相敏检测器的鉴相特性
电子开关式相敏检测器的鉴相特性由下式描
述：
u0(t)
2Vs
coqs
精选PPT
锁相放大器的工作原理和pn结载流子浓度
实验2－2微弱信号检测技术随着科学技术的发展，使测量技术得到日趋完善的发展，同时也提出更高要求。
尤其是一些极端条件下的测量已成为现代认识自然的主要手段，由于微弱信号检测（weak signal detection）能测量传统观念认为不能测量的微弱量，所以才获得迅速的发展和普遍的重视，微弱信号检测已逐渐形成一门边缘学科学。
锁相放大器（lock-in. Amplifier 简称LIA）就是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器，它可用于测量交流信号的幅度和相位，有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度，可测量毫微伏量级的微弱信号，自1962年美国PARC第一个相干检测的锁相放大器问世以来，锁相放大器有了迅速的发展，性能指标有了很大的提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域，本实验使用128A用电容电压法测量P-N结的杂质浓度分布和PN结电容，即是一个很好的应用实例。
一实验原理（一）PN结电容及杂质浓度分布在半导体的设计和制造过程中，如何控制半导体内部的杂质浓度分布，从而达到对器件电学性能的要求，是半导体材料和器件的基本测量之一，本实验是用电容—电压法测量P-N结的杂质浓度分布，具有简单快捷，又不破坏样品的特点，是较常用的测量方法之一。
它仅能反映P-N结轻掺杂一边的杂质分布。
P-N结是由P型和N半导体“接触”形成的，交界之处的杂质浓度可以是突变的，或是缓慢的，在结的界面处形成势垒区，也称空间电荷区，如（图2－2—1 a、b）所示。
P-N结外加电压时，势垒区的空间电荷数量将随外加电压变化，与电容器的作用相同，这种由势垒区电荷变化引起的电容称为势垒电容另外，P-N结加正向偏压时，P区和N区的空穴和电子各自对各自向对方发散，并能在对方（扩散区）形成一定的电荷积累，积累电荷的多少也随外加电压而变化，称为扩散电容图2－2—1 突变结(a)和缓变结（b）所以，P-N结的电容与一般电容不同，不是恒定不变的，要随外加电压的变化而变化。
(完整版)锁相放大器的工作原理
锁相放大器的工作原理一．什么是锁相放大器锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。
它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。
因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。
此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。
锁相放大器实物图二．锁相放大器的构成锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。
在外差式振荡技术中被称为本地振荡（Local Oscillation）的、用于做乘法运算的信号，锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。
锁相放大器能够（从被测量信号中）检测出与这个参照信号频率相同的分量。
在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器（LPF）。
其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。
在频率域中，如下图所示。
锁相放大器的基本组成三．锁相放大器的应用锁相放大器可用于检测到在杂噪信号中被埋没的微弱的信号。
采用选频放大技术，使放大器的中心频率f 0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。
后来发展了锁相放大技术。
它利用等测信号和参与信号的相互关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。
目前，锁相放大技术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。
应用一:用于测量现场尘粒浓度。
尘粒浓度测量仪采用光电收发对称式探测头，能够对温度、振动、器件老化等因素进行抑制。
光信号在烟道中的衰减与烟道中尘粒浓度关系遵从朗伯-比尔定律。
当烟道内尘粒浓度增大到一定程度，使得光信号大幅衰减，环境杂散光等成为不可忽视的噪声信号。
应用二：用于红外线温度传感器的低温范围拓展。
锁相放大器
功能是为相敏检波器提供一个与输入信号同 相方波或正弦波。
相关器：
锁相放大器原理：
Vs (t) es cost
Vr (t ) er cos[( )t ]
1.待测信号为：
在V 式(t)中 Vs (t)为V两r (t个信) 号 e的ser延co迟s[(时 间。)它t 们进] c入ost 乘法器12后ese变r{换co输s(出t为V()t)，cos[(2 )t ]}
即V由o (原t) 来 K以eωse为r c中os心(频t率的)频谱变换成
0
若两信号频Vo率(t)相同K（ese这r c符os合大多数条件），
则
，上式变为
K是与低通滤波器的传输系数 0,有 0关的常数。
Vo (r) Keser
上式表明，若两个相关信号为同频正弦波 时，经相关检测后，其相关函数与两信号幅 度的乘积成正比，同时与它们之间位相差的
红外探测器所得曲线作为真值来校准 温度传感器的频率响应并获取系统误差的修
谢谢
u0 t
2VsVr
cos
u0 t与情况1类似
3. xt为正弦波含单频噪声， rt为正弦波
xt Vs cos0t Vn cosnt
rt cos0t Vr 1
信号项
和频项
up t xt rt 0.5Vs cos 0.5Vs cos20t
0.5V n cosn 0 t 0.5Vn cosn 0 t
信号与噪声的和频项 信号与噪声的差频项
经低通，第二项、第三项被滤除
u0t 0.5Vs cos 加n0 LPF带宽的噪声
锁相放大器在温度传感器校准系统
中的应用
在瞬态温度测量中,温度随时间迅速变化,由于测温传感器 感温件的热惯性和有限热传导,测出的温度与实际温度存在差 别,这种差别即为动态响应误差。为了尽量减少这类系统误差, 需对测温传感器进行动、静态校准。校准装置由于存在电源噪 声、辐射噪声、震动噪声及回馈控制噪声等的影响,低温下系 统的微弱信号将被噪声淹没,无法分辨有效的信号,使系统无法 在低温范围对温度传感器校准 。在系统中加入锁相放大器,利 用噪声与参考信号不相关,而湮没于噪声当中的微弱信号与参 考信号有着极高的相关性的特点,从而改善了系统的信噪比,拓 宽了校准系统的温度下限。
锁相放大器
LIA锁相放大器王莲20140916 光学工程锁相放大器的工作原理相关检测及相关检测器。
所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）；如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。
由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。
如果f1(t)和f2(t-τ)为两个功率有限信号，刚可定义它们的互相关函数为(3.1.1)令f1(t)=V1(t)+n1(t)，f2(t)=V1(t)+n2(t)，其中n1(t)和n2(t)分别代表与待测信号V1(t)及参考信号V2(t)混在一起的噪声，则式（3.1.1）可写成（3.1.2）式中Rsr(τ)，Rr2(τ)，Rr1(τ)，R12(τ)分别是两信号之间，信号对噪声及噪声之间的函数。
由于噪声的频率和相位都是随机量，他们的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。
所以，可认为信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的，他们的互相关函数为零。
于是式（3.1.2）可写成（3.1.3）上式表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。
根据此原理设计的相关检测器见图（3.1.1）所示。
它是锁相放大器的心脏。
图3.1.1相关检测器通常相关检测器由乘法器和积分器构成。
乘法器有两种：一种是模拟式乘法器：另一种是开头式乘法器，常采用方波作参考信号，而积分通常由RC低通滤波器构成。
现在令式（3.1.3）中两个信号均为正弦波：等测信号为 Vs(t)=escosωt;参考信号为 Vr(t-τ)=ercos[(ω+Δω)t+φ].在式中r为两个信号的延迟时间。
它们进入乘法器后变换输出为V(t)，即由原来以ω为中心频率的频谱变换成以Δω及和频2ω为中心的两个频谱，通过低通滤波器（简称LPF）后，和频信号被滤去，于是经LPF输出的信号为若两信号频率相同（这符合大多数实验条件），则Δω=0，上式变为（3.1.4）式中K是与低通滤波器的传输系数有关的常数。
锁相放大器原理
锁相放大器原理
锁相放大器原理是一种在测量系统中应用的电子技术，用于提取和放大输入信号中特定频率的成分。
该原理基于相位锁定环路的工作原理，通过与参考信号进行比较和处理，从而实现对输入信号的精确测量。
锁相放大器由几个主要部分组成，包括参考信号源、混频器、低通滤波器、放大器和相位锁定环路。
首先，参考信号源产生一个稳定的频率和相位的信号，作为参考信号输入到混频器中。
混频器将输入信号与参考信号进行乘积运算，产生一个包含频率和相位差的交流信号。
接下来，低通滤波器过滤掉高频成分，只保留所需的频率成分。
通过放大器对滤波后的信号进行放大，以增强信号的强度。
最后，信号被送回相位锁定环路，与参考信号进行比较并进行反馈调节。
相位锁定环路通过控制输入信号的相位，使其与参考信号同步，从而实现对输入信号的精确测量。
锁相放大器的工作原理基于负反馈控制，通过持续的相位比较和调节，使输入信号的相位与参考信号保持一致。
通过这种方式，锁相放大器可以提取和放大输入信号中特定频率的成分，从而提高信号的测量精度和灵敏度。
总之，锁相放大器利用相位锁定环路的原理，通过与参考信号的比较和调节，实现对输入信号的精确测量。
它在科学研究、精密测量、信号处理等领域具有广泛的应用。