锁相放大器检测微弱信号

锁相放大器，是一种可以从干扰极大的环境中对特定频率的电学信号进行提取，还能进一步聚焦和锁定特定相位上步调一致成分的电子学仪器，从而滤除噪声，达到微弱信号检测的目的。今天安泰测试为大家介绍用斯坦福锁相放大器检测为微弱信号的方法。

假设要放大的信号是10nV，10kHz的正弦波信号，性能较好的低噪声放大器的输入噪声有5nV/√Hz。

1. 放大器的带宽为100kHz，增益为1000，待测信号放大后为

10nv×1000=10μV

2. 输入噪声为

5 nV/√Hz×√100kHz×1000=1.6mV

噪声远大于待测信号幅值，无法检测。

3. 在放大器后面加一个理想的带通滤波器，其品质因子Q=100，中心频率为10kHz，则频率在9.95kHz-10.05kHz范围内的信号

都会被有效地检测到，频率范围计算过程如下

10kHz÷Q=100Hz，10kHz-100Hz/2=9.95kHz，10kHz+100Hz/2=10.05kHz

锁相放大器

锁相放大器

4. 待测信号依旧是10μV，噪声经滤波器滤波后变为

5 nV/√Hz×√100Hz×1000=50μV

噪声仍然比待测信号大很多，无法检测。

5. 不用带通滤波器，在放大器后面加一个相敏检测器PSD。PSD可以在带宽为0.01Hz的情况下，检测到10kHz的信号

6. 此时，待测信号仍然为10μV，而噪声为

5 nV/√Hz×√0.01Hz×1000=0.5μV

信噪比为10μV/0.5μV=20，可以检测。

锁相放大器检测原理

相敏检测技术

利用与待测信号具有相同频率和固定相位关系的参考信号为基准，滤除频率与参考信号频率不同的噪声。

1. 被测输入信号Vs=Acos(ωt+θ)

参考输入信号Vr=Bcos(ωt+φ)

A、B是信号的幅值，ω是角频率，θ、φ是相位角。

被测信号与参考信号频率相同

2. 先将被测信号用一个低噪声放大器放大，使信号幅值达到能被模拟器件感应到的范围。

3. 被测信号和参考信号经混频器混频，即两信号相乘

Vpsd=Vs×Vr=AB/2[cos(2wt+θ+φ)+cos(θ-φ)]

当然经混频器输出的信号还有噪声与Vr的乘积，所以Vpsd中含有直流项，2w项以及噪声与Vr的乘积。因为噪声中含有w角频率的信号概率很小，所以可以认为直流项只与被测信号成正相关。

4. Vpsd经一个截止频率很低的低通滤波器滤波，可以看作只保留直流成分，这样输出信号中的噪声水平就很小了。

5. 因为直流项为AB/2*cos(θ-φ)，如果θ-φ=90°，此直流项就成为0了，那我们就不能检测到待测信号了。但是我们又不知道待测

信号的相位θ，所以无法设置参考信号的相位与待测信号相同。

6. 解决办法是，将参考信号分为两路，一路保持不变，与待测信号混频，得到直流项

Vpsd1= AB/2*cos(θ-φ)

另一路经移相器，相位减90°，再和待测信号混频，得到直流项

Vpsd2= AB/2*cos(θ-90°-φ)=AB/2*sin(θ-φ)

7. 求Vpsd1和Vpsd2的平方和，再开平方，得

Vpsd=AB/2

与相位无关，这样就可以检测到待测信号的幅值变化了，大功告成。

审核编辑：汤梓红