锁定放大器
一种基于开关电容技术的锁定放大器设计
一种基于开关电容技术的锁定放大器设计
随着电子学、信息论、物理学、计算机技术的发展，为满足现代科学研究和技术开发的需要，微弱信号的处理方法得到不断的发展。
微弱信号检测技术可以分为两类：1)用硬件电路实现微弱信号的调理和采集，其方法主要有：滤波技术、相关检测技术、同步积累法、开关电容网络及光子计数法等；2)利用计算机技术和信息处理技术从噪声中提取微弱信号。
这里主要从硬件方面提出一种新的微弱信号检测电路设计方案，利用开关电容网络和积分器相结合实现检测，在降低噪声的同时，对微弱信号进行放大。
1 锁定放大器工作原理锁定放大器是基于互相关原理设计的一种同步相干检测仪，能够对检测信号和参考信号进行相关运算。
按照互相关的数学表达式，相关器包括乘法器和积分器2 部分。
考虑到线性范围和动态范围，通常相关器不采用模拟乘法器，而采用线性好、动态范围大、电路简单的开关式乘法器。
锁定放大器的参考信号不是一个任意函数，而是和待测信号同步的方波。
锁定放大器的工作原理如图1 所示。
图中乘法器和积分器实现互相关运算，积分器在同步方波的控制下以充放电形成方波信号，以便后续电路处理；带通滤波器(BPF)的功能是选频和放大，根据放大倍数的需要，采用适当级数的BPF；相敏检波器(PSD)把放大后的调制信号再和载波信号相乘，利用低通滤波器(LPF)滤出高频分量，输出直流电平的大小与被测微电流成正比。
图2 为锁定放大器采用的相关原理。
由此可知，相关器输出为直流电压，其值正比于输入信号的基波振幅，并与参考信号之间的相位差的余弦成正比。
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锁定放大器的设计与仿真实现【开题报告】
毕业论文开题报告电子信息工程锁定放大器的设计与仿真实现一、课题研究意义及现状微弱信号在各类科研活动中都是大量存在的，比如雷达系统中的回波信号的检测与判决，光学中的脉冲瞬态光谱和天文学中的形体光谱，唐策潜艇的声纳系统中的微弱回波信号等等。
由于这类信号及其微弱，一般都淹没在测试设备和一起的本底噪声中，用常规的测量方法通常是无法进行检测的。
微弱信号检测技术是一门理论和技术相结合的新兴科学，它运用近年来迅速发展起来的电子学、信息论和物理学方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，采用一系列的信号处理方法，达到检测被背景噪声覆盖的微弱信号。
在这些方法中，锁定放大技术是其中一种被使用得最广泛得方法．也被认为是最为有效的方法。
随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，可以说，微弱信号检测是发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要的意义。
自1962年美国PARC(Princeton Applied Research Corporation)公司研制出第一台用于测量微弱正弦信号的锁定放大器(Lock—In Amplifier)以后，国内外对于锁定放大器的研究在过去的四十年时间也获得了很大的进步，从其检测频带、动态范围的拓宽到检测精度的提高都有了数量级的飞跃。
同时在数字电子技术的发展下，尤其是数字信号处理技术的发展，锁定放大器也由模拟型向数字型发展，极大改善了锁定放大器的性能，使锁定放大器的研究发展和应用得到很大的提高。
较成熟的产品有：美国AMETEK公司的7280 DSP数字双相宽频(O．5-2M)锁定放大器；法国TE9822C型；日本NFCORP公司研制的多功能数字锁定放大器LI 5640和数字锁定放大器LI5630等。
二、课题研究的主要内容和预期目标主要内容：该设计根据课题要求完成的功能大致分成三个模块：信号通道、参考通道和互相关器。
Moku Lab 锁定放大器配置指南说明书
Moku:Lab Application Note November 24, 2019Lock-in Amplifier Configuration Guide Step by step tutorial on how to set up your Moku:Lab’s Lock-in AmplifierLock-in amplifiers (LIAs) is a wide ly used instrume nt that can e xtract a signal of a known fre que ncy that is ove rwhe lmed by noise. It mixes the signal with a local oscillator (LO) and uses a lowpass filter to reject the noise at unwanted frequencies. This allows the LIA to detect not only the amplitude but also the phase of the signal in relation to the LO. In this document, we will walk you through how to configure Moku:Lab’s LIA to detect the amplitude and phase of a weak 50 kHz signal with an external reference.Signal and Reference SourceIn this example, we used a second Moku:Lab’s waveform generator to simulate the signal and external reference for the LIA. A 50 kHz 1 mVpp sine wave was used as the signal, and a 50 kHz 500 mVpp square wave was used as the reference. (Figure 1) The signal and reference were generated based on the same clock (phase-locked), with an arbitrary phase re lation to e ach othe r. This is a typical situation for a re al e xpe rime nt se tup. Diffe re nt electronic components have different instrument response functions and delays, which result phase difference between the signal and reference. The signal was connected to Moku:Lab’s LIA’s input 1, and the reference was connected to Moku:Lab’s LIA’s input 2.Figure 1: Waveform generator settings for signal and reference generation.Configure LIA’s Local Oscillator (LO)LIAs extract the amplitude and phase of the signal with respect to the LO. It’s crucial to ensure the LIA uses the correct LO for the demodulation process. In this example, we used Moku:Lab’s LIA’s built-in phase-locked loop (PLL) to track the phase and fre que ncy of an e xte rnal re fe re nce source and ge ne rate d two phase-locked orthogonal sinusoidal LOs for the dual-phase demodulation. First, we configured the LIA’s LO to the external (PLL) mode and output to filtered signal for simultaneous X/Y or R/θ detection. (Figure 2)Figure 2: LO and auxiliary output settings for Moku:Lab’s LIA.Next, we set up the PLL to 50 kHz and enable d the probe points be fore and afte r the PLL. We adjusted the tracking bandwidth to 150 Hz, which ensured a phase-locke d, undistorte d sinusoidal LO (blue trace, Figure 3) after the PLL.Figure 3: The undistorted sinusoidal LO (blue trace) phase was phase-locked to the reference input (red trace).Configure the Lowpass FilterThe bandwidth of the lowpass filte r significantly affe cts the SNR of the me asure me nt. In ge ne ral, a narrowe r bandwidth provide s be tte r noise re je ction. Howe ve r, narrow bandwidth also re je cts any high fre que ncy component of the signal itself, which reduces the time resolution of the measurement. In this measurement, we expect a relatively steady sinusoidal output from the waveform generator. We set our filter bandwidth to 200 Hz, with a 12 dB/Octave slope.Configure LIA’s Output GainOnce the LO was set, we enabled the probe points for the X/Y output. Then, we increased the output gain to about +60 dB to bring the signal to a few hundred mV range. (Figure 4) This was similar to the sensitivity settings on some othe r lock-in amplifie r, which allowe d Moku:Lab’s LIA output DAC to fully unitize d its re solution and range. To avoid saturation, the sum of the X2 and Y2 should be kept below 1 V.Figure 4: Moku:Lab’s LIA output gain settings.Adjust PLL’s Phase ShiftAs we brie fly me ntione d be fore, the re fe re nce signal and the actual signal might have a significant phase difference. If the absolute phase shift is measured, it’s important to align the phase of the LO and signal. To align the phase, the phase shift of the PLL was adjuste d to make the Y compone nt as close to ze ro as possible. (Figure 5)Figure 5: The phase shift of PLL was adjusted to 44.630 degrees to null the Y signal.Adjust Polar-to-rect Conversion RangeLast, we change d the output from X/Y mode to R/θ mode and adjuste d the re ct-to-polar conve rsion range. Optimal performance is achieved by choosing the smallest range which can accommodate your signal without saturating. Based on the X/Y mode, we estimated the output amplitude to be around 250 mV. We circled around the thee conversion range settings, and the 7.5 mVpp provided the best result. (Figure 6)Figure 6: Optimizing the polar-to-rect conversion range based on the R output.Questions or comments?Please contact us at *****************************。
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。
锁定放大器设计
锁定放大器设计报告一、方案选择本系统是基于相敏检波(PSD)技术的锁定放大器(LIA)，用于实现强干扰背景下uV级微弱信号的有效检测。
本文给出一种基于TI器件的解决方案。
系统由信号通道、参考通道、相敏检波器三部分组成。
其中信号通道由加法器、分压网络组成，实现信号与干扰的叠加并将大信号衰减为微弱信号，参考通道包括移相电路、触发整形电路，生成用于驱动模拟开关实现PSD的方波信号。
相敏检波器为核心，检波后经低通滤波输出直流信号供AD采样处理。
经单片机简单计算，在液晶屏上显示微弱信号幅值。
经测试，本系统较好完成了微弱信号的检测。
参考信号R(t)输入后分两路，一路送信号通道，一路送参考通道。
R(t)在信号通道中经过3600倍衰减获得待测微弱信号，送加法器与干扰叠加，是否引入干扰、干扰倍数可通过切换继电器控制，且干扰也经过同结构纯电阻网络分压，叠加了干扰的微弱信号经两阶带通滤波器滤波后送相敏检波器处理。
R(t)在参考通道中先经移相电路移相，使得与信号通道末的微弱信号相位一致，经触发整形生成驱动方波送相敏检波器处理。
相敏检波器利用模拟开关实现检波，输出信号经两阶低通滤波提取直流分量。
AD进行采样转换，单片机读取AD值，进行简单计算处理现实对应微弱信号幅值。
总体设计框图如图1.图1 总体设计框图二、理论分析与计算2.1移相电路移相电路核心部分由电阻电容构成，差分输出，可计算出其传递函数为：观察幅频特性，对其取模，可知：可见，图示移相电路具有结构简单、无额外增益、稳定性好的特点，且可以实现0到180°相移。
移相电路 纯电阻分压触发整形PSD 相敏检波器干扰选择AD 采样显示Σ加法器干扰源 N(t)小信号S(t)参考输入 R(t)大信号 R(t)信号通道参考通道纯电阻分压图2 移相电路核心2.2带通滤波器由题意，本题需要设计中心频率f0=1000Hz，3dB频带范围为900Hz~1100Hz的带通滤波器。
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。
锁定放大器的设计
摘要本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，由信号通道电路，参考通道电路，相敏检波器，输出显示部分组成。
其号经电阻分压网络生成微小信号，再经过放大和参考通道的方波输入到AD630,AD630再输出直流量给单片机采样显示。
经测试，本系统能准确测量出强噪声背景下围为10uf-1mV的微弱信号，并在液晶准确显示，基本完成了题目要求。
本系统分压网络由精密电阻搭建的π型分压网络，简单快捷，稳定性高，移相运用了有源移相网络，实现了0到360度连续调节。
检测显示模块利用高性能MSP430单片机和高精度模数转换器ADS1118进行采样并经12864显示，美观大方。
关键词微弱信号相敏检波器MSP430目录1. 设计任务 (1)1.1任务 (1)1.2基本要求 (1)2. 方案论证 (2)2.1交流放大器 (2)2.2带通滤波器 (2)2.3相敏检波器 (2)2.4移相器 (2)2.5软件方案选取 (3)2.6系统整体方案 (3)2.7系统总体框图 (3)3. 理论分析计算 (3)3.1硬件电路的设计原理 (3)3.1.1信号通道电路的设计 (3)3.1.2参考通道触发整形电路的设计 (4)3.1.3相敏检波器的设计 (5)3.1.4低通滤波器的设计 (6)3.2单片机控制与系统任务的设计与选取 (6)4. 测试结果与误差分析 (7)4.1测试仪器： (7)4.2测试分析 (7)4.2.1 衰减器测试 (7)4.2.2 移相器测试 (7)4.2.3带宽测试 (7)4.2.4 微弱信号的测量 (7)4.2.5 结论与误差分析 (8)5. 结论、心得体会 (8)6.参考文献 (8)1 设计任务1．1任务设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器（LIA）。
锁定放大器基本组成框图见图一。
信号通道4图一: 锁定放大器基本组成结构框图4.11．2基本要求（1）外接信号源提供频率为1kHz的正弦波信号，幅度自定，输入至参考信号R(t)端。
《微弱信号检测技术》锁定放大器级联使用实验
《微弱信号检测技术》锁定放大器级联使用实验一、目的要求（1）了解锁定放大器级联使用时需要的条件；（2）测量锁定放大器级联使用时的相位特性；（3）测量锁定放大器级联使用时的传输特性。
二、基本原理锁定放大器可以用于检测周期信号的幅度，具有强大的抑制噪声能力，并能够通过延长积分时间常数的办法压缩等效噪声带宽，提升抑制噪声的能力。
然而，由于被检测信号在被与参考信号同频的交流信号调制之前不一定是直流信号，而是可能分布在一定的频率范围内，无限制的延长积分时间常数将会造成对检测结果的失真。
因此，当锁定放大器的等效噪声带宽不足够窄时，需要通过两级锁定放大器级联的方式来实现进一步抑制噪声。
经典的锁定放大器使用相关器作为相关检测的核心结构完成对微弱信号的检测和对噪声的抑制，这一相关核心的特点是输入信号为交流信号，而输出信号为直流信号，为在后级连接下一级相关检测核心造成了障碍。
为了解决这一问题，我们引入了同步积分器与旋转电容滤波器这两种方波输出的相关检测核心结构，以便为第二级锁定放大器提供交流信号输出，如图1所示。
图1. 两级同步积分器级联使用同步积分器与旋转电容滤波器的传输特性和等效噪声带宽特性均与相关器相似。
当具有相同参数的两级同步积分器或旋转电容滤波器级联使用时，其等效噪声带宽为单独一级的一半，即，当两级的积分时间常数均为T c时，两级联用在基波附近的等效噪声带宽为：Δf N1=14T c(1)总的等效噪声带宽为：Δf N=π28⋅Δf N1(2)当锁定放大器级联使用时，除最后一级外，不可以使用相关器。
三、实验步骤与内容1. 同步积分器或旋转电容滤波器仿真。
直接利用实验一所编写的相关器程序，以相关器输出乘以参考信号作为同步积分器或旋转电容滤波器的输出。
思考如下问题：这样直接相乘得到的结果，与同步积分器或者旋转电容滤波器的真实输出是否相符？如果与其中一个或两个不相符，为什么？不相符；_直接相乘是数学代数运算得到的结果，而同步积分器得到的是积分后的结果，二者之间有一个根号倍的关系。
锁定放大器几种产品简介
2.3 SR844 200MHZ锁相放大器 200MHZ锁相放大器
25kHz—200MHz 频率范围 80dB动态范围 自动增益，自动灵 敏度，自动偏置 标准GPIB， RS—232接口
产 品 特 点
100 ms -30ks时间 常数， 6，12,18， 24dB/倍频程衰减 内部或外部参考源 双16位辅助输入/输出
产品特点： 产品特点：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 9.7280BFP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。
产品特点： 产品特点：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.被测信号频谱显示 8.1MHz ADC采样率（7265的采样率为40k），更 加适用于输出时间常数较小的场合，比如在扫描探 针测试等需要快速更新数据的场合。 9.增加了近年来普及的USB接口以及以太网口。
数字100KHZ 100KHZ锁相放大器 2.2 SR830 数字100KHZ锁相放大器
合成参考光源 时间常数为 10µs 到30ks 具有自动获取， 具有自动获取，自 动定相， 动定相，自动存储 自动补偿功能
产 品 特 点
GPIB 和RS-232 两种接口 频率范围1mHz 到102.4kHz ＞100dB 的动态保留 稳定性为5ppm/℃ 0.01 度的相位分辨率
3.4、数字锁相放大器7225 数字锁相放大器7225 数字锁相放大器
产品特点： 产品特点：1.数码管显示 特点 2.振荡器频率扫描 3.振荡器振幅扫描 4. 7225BFP与7225完全指标、性能完全相同， 是无前面板设计,只用于电脑控制，比7225更优 惠。7225和7225BFP相当于锁相放大器7265的 简化版。
锁相放大器的工作原理
锁相放大器的工作原理锁相放大器是一种用于测量微弱信号的电子仪器，它的工作原理是基于相位敏感放大和锁相检测技术。
锁相放大器广泛应用于科学研究、精密测量和信号处理等领域。
我们来了解一下相位敏感放大技术。
在信号处理中，相位是指信号波形与参考波形之间的时间差。
相位敏感放大器通过测量信号与参考信号之间的相位差，并将其放大，从而实现对微弱信号的提取和放大。
相位敏感放大器的核心部件是相位敏感放大器，它可以将微弱信号的相位差转换为电压差，并通过放大电路进行信号放大。
接下来，我们来介绍锁相检测技术。
锁相检测是一种基于相位比较的信号处理方法，它通过比较输入信号与参考信号的相位差来提取信号的幅度和相位信息。
锁相放大器中的锁相检测器可以将输入信号与参考信号进行相位比较，并输出相位差的大小和方向。
锁相放大器还配备了低通滤波器，用于去除噪声和杂散信号，从而提高信号的信噪比。
锁相放大器的工作原理可以用以下几个步骤来描述：1. 输入信号与参考信号的相位比较：锁相放大器将输入信号与参考信号进行相位比较，得到相位差的大小和方向。
2. 信号调理：锁相放大器通过相位敏感放大器将相位差转换为电压差，并进行放大。
在此过程中，锁相放大器还对信号进行调理，去除噪声和杂散信号。
3. 相位锁定：锁相放大器通过反馈控制，将相位差稳定在一个预定的值。
通过不断调整参考信号的相位，锁相放大器可以实现对输入信号的相位锁定。
4. 信号提取：锁相放大器根据相位差的大小和方向，提取输入信号的幅度和相位信息。
锁相放大器还可以通过调整参考信号的幅度和相位，来实现对输入信号的放大和调制。
总结一下，锁相放大器是一种基于相位敏感放大和锁相检测技术的仪器，用于测量微弱信号。
它通过相位敏感放大器将微弱信号的相位差转换为电压差，并通过锁相检测器提取信号的幅度和相位信息。
锁相放大器的工作原理是通过相位锁定和信号提取实现的。
锁相放大器在科学研究、精密测量和信号处理等领域具有重要的应用价值。