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锁相放大器的基本功能

锁相放大器的基本功能


锁相放大器是用来检测输入信号中的单频信号分量的。(当然你也可以将锁相放大器当作频谱仪使用,只要你有耐心分时用锁相放大器测量输入频谱中各个分量的值,然后就可以绘出整个输入频谱了。)

比如你有一个信号发生器产生一个单一频率的正弦波和一个与正弦波同频同相的TTL同步波形。你将这个正弦波加到你的被测系统(比如一个传感器)的输入端,那么你的被测系统会产生一个与正弦波同频的响应信号及被测系统的噪声,这个同频的响应信号一般非常小,比如各种传感器(像人体感应传感器、地震传感器、微弱光传感器等)输出的信号就是非常小的,在时域上看已经彻底淹没在噪声里面了。在这种情况下你可以将你被测系统的输出信号接到锁相放大器的信号输入端,将信号发生器产生的TTL同步信号接到锁相放大器的参考输入端,锁相放大器设置为外部参考模式,那么锁相放大器就可以测量到你被测系统输出的那个淹没在噪声的响应信号,这个响应信号和你被测系统输入的正弦波是同频的,只不过被噪声淹没了而已。另外你也可以用锁相放大器测量倍频处谐波的大小,比如你想要用锁相放大器测量上面被测系统输出频谱中和输入正弦波成几倍关系的频谱分量都可以用锁相放大器来测量。

 

锁相放大器的理解:

可以将锁相放大器比作窄带跟踪带通滤波器,其通频带可以窄到只有5.3uHz(这个选频及滤除带外噪声的能力是极其强的),其通频带的中心频率自动跟踪到内部或者外部参考信号的频率上面。我们知道要想测量淹没在噪声中的被测信号必须提高信噪比,而信噪比的公式是信号强度/噪声强度,信号是由被测系统或者各种传感器输出的,信号强度由被测系统决定,一般无法提高(你无法用 常规放大器提高信号,因为常规放大器会将噪声也同倍数放大器,无助于提高信噪比);噪声强度和频率带宽的开方成正比。锁相放大器的窄带跟踪带通滤波器可以极大的降低噪声强度从而提高信噪比来准确地测量信号强度。

 

有的人可能会说如果用简单的带通滤波器是否可以像锁相放大器等效出的窄带跟踪带通滤波器那样滤除噪声呢?

 

首先简单的带通滤波器其滤波器的中心频率和截止频率一般由硬件电阻电容决定,这些参数很难随着外部被测信号频率改变而改变。另外滤波器的品质因数=中心频率/通频带,品质因数越大就越表面滤波器分辨频率的能力越强,锁相放大器等效出的窄带跟踪带通滤波器的品质因数最大可以到102.4kHz/5.3uHz=1.9×10的7次方,而普通电阻电容构成的滤波器品质因数一般也就十几,十几品质因素的滤波器其电阻电容地 体积已经很大了,况且其中心频率不可以跟着被测信号的频率改变而改变。

 

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