来宝网移动站

锁相放大器的新进展

孙志斌   陈佳圭†

(中国科学院物理研究所    北京    100080)

摘要    本文主要介绍了模拟锁相放大器和数字锁相放大器原理、特点、过渡和发展过程。通过数字锁相放大器的硬 件的模块化结构、灵活的算法设计、软件的升级能力、应用的范围和特点、以及性价比等说明锁相放大器发展的前 景和动力。

关键词  模拟锁相放大器，数字锁相放大器，正交相关算法，数字锁相环，数字低通滤波 Advance of Lock-in Amplifier SUN Zhi-Bin      CHEN Jia-Gui†

(Institute of Physics, Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China)

Abstract     This review gives an introduction to the principle, character and development of the analog and digital Lock-in amplifier. Especially, the digital Lock-in Amplifier has the following advantages: the model hardware, flexible arithmetic, updatable software, extensive application and low  cost. So the development of the Lock-in Amplifier would have a bright future and powerful strength.

Keywords      analog  Lock-in  Amplifier,  digital  Lock-in  Amplifier,  orthogonal  vector  arithmetic, digital phase locked loop, digital low pass filter.

e-mail: chenjiagui@xiaoxiaotong.org

1962 年美国 EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY 公司的前身) 的第一台锁相放大器(Lock-in Amplifier，简称 LIA)的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，极大地推动了基础科学和工 程技术的发展[1] [2]。目前，微弱信号检测技术和仪器的不断进步，已经在很多科学和技术领域中得 到广泛的应用，未来科学研究不仅对微弱信号检测技术提出更高的要求，同时新的科学技术发展反 过来促进了微弱信号检测新原理和新方法的诞生[1] [3]。

早期的 LIA 是由模拟电路实现的，随着数字技术的发展，出现了模拟与数字混合的 LIA，这种 LIA 只是在信号输入通道，参考信号通道和输出通道采用了数字滤波器来抑制噪声，或者在模拟锁相放大器（简称 ALIA）的基础上多了一些模数转换（ADC）、数模转换（DAC）和各种通用数字 接口功能，可以实现由计算机控制、监视和显示等辅助功能，但其核心相敏检波器(PSD)或解调器 仍是采用模拟电子技术实现的，本质上也是 ALIA。直到相敏检波器或解调器用数字信号处理的方 式实现后，就出现了数字锁相放大器（简称 DLIA），DLIA 比 ALIA 有许多突出的优点而倍受青睐， 成为现在微弱信号检测研究的热点，但是在一些特殊的场合中，ALIA 仍然发挥着 DLIA 不可替代

的作用[4~5]。

本文将通过介绍 ALIA 的基本结构、不足和特点；接着将重点介绍 DLIA 的一般结构，并通过 硬件，软件和算法三方面来说明 DLIA 的发展趋势。

一.   模拟锁相放大器（ALIA）[1~3][5]

SIGNAL RECOVERY 公司的 5209 、5210 和 5105、5106 型是通用的 ALIA，图 1 是其典型的 结构，主要由信号输入通道、参考输入通道、相敏检波器和正交相敏检波器、输出通道、微处理器

和辅助数字部分组成。输入通道包括信号输入、低噪声前置放大、电流电压转换、放大和组合滤波 器。信号输入有三种方式：单端电压输入，差分电压输入和电流输入方式，可以适应被测信号为电 压和电流两种形式。在被测信号为电压信号的情况下，单端电压输入方式是常用的方式，如果信号 中存在共模干扰信号，就采用差分输入方式。低噪声前置放大器的增益可调，也可根据频率和源阻 抗选择最小噪声因子的外接低噪声前放或阻抗匹配变压器，滤波器组主要分为陷波滤波器、组合滤 波器，陷波滤波器是滤除工频及其二次谐波的干扰；组合滤波器可灵活组成低通、高通、带通和陷 波四种模式。参考输入通道由参考触发、内部时钟、可调相移器和 90o 固定相移器组成 0~370o 可变 移相。参考输入可用外部输入，或内部时钟信号（也可输出用作被测信号的同步调制），由于参考触 发整形电路的存在，只要求外部参考信号在一个周期内有两个过零点并且有一定的幅度，这意味着 方波、三角波和其它信号，以及如 TTL 信号或逻辑电平等，都可以像正弦信号一样作为参考信号使 用；内部时钟产生内部相位开关来驱动相敏检波器和正交相敏检波器，使仪器运行于正交的双相 ALIA 模式。相移器的调节使输入信号与参考信号的相位差为零。在双相位 ALIA 中，90o 相移器输 出一个与输入信号正交的参考信号，用来驱动两个相敏检波器，同样通过后续的低通滤波器，分别 检测被测信号，经过直流放大器由电压表显示其结果。

相敏检波器实质是个模拟乘法器（或称同步解调器），主要作用是将输入信号与参考信号（正 弦或方波）相乘，其结果会出现输入信号与参考信号的差频项及和频项，再通过低通滤波器滤除和 频项，保留差频项，最后输出的直流信号与被测信号的振幅成正比，其关系可用下式简单表示：

uo (t ) = kVsVr  cosθ

（1）

其中 uo 是低通滤波器输出信号， Vs 是输入信号的幅值， Vr 是参考信号的幅值， θ 是输入信号与参

考信号之间的相位差，系数 k 由输入信号和参考信号的波形及相敏检波器的工作模式来共同确定。 要使输出直流信号与被测信号的振幅成正比，必须保证输入信号与参考信号的频率相同、相位差为 零（或固定的相位差），振幅也应该是固定不变的常量，只有在这些条件都满足的情况下，LIA 的直 流输出信号才真正反映实际信号的变化。

正交矢量锁相放大器是多了一个正交相敏检波器，两个相敏检波器的工作原理完全相同，唯一

差别就是正交相敏检波器的参考输入多了一个 90o    相移器，当同相输出为：I = kV V

cosθ

，正交

s     r

输出则为： Q = kVsVr sin θ

，由上述两路输出可以计算出被测信号的幅度和相位：

Vs  =

1

kVr

I 2  + Q2

， θ = arctan(Q )

I

（2）

如果同相输出与正交输出通过 ADC 转换为数字信号，在数字信号处理单元中按照公式（2）的

算法计算出被测信号的幅值和相位，并将数字形式的幅值和相位通过 DAC 转换为模拟信号。正交 矢量 ALIA 由于能计算出被测信号的幅值和相位，可以避免在测量时对参考信号做可变的移相调节， 可避免移相的调节误差对测量准确性的影响。

ALIA 的进步是微控制器的应用，本图１中所示了两种常用数字通讯接口，即 232 串行通讯接 口和虚拟设备通用的 GPIB 接口。通过这两个接口可以用计算机去设置 ALIA 的各个参数，可以便 利操作与设备的系统集成。

信号     A

输入放大

滤波

PSD

低通

A.B     滤波

输出放大

CH1

输入

B/I

参考 输入

TTL REF IN

电流电压转换

参考

Q-PSD

A

相移          B    A.B

辅助输入

低通 滤波

A/D

输出放大