锁相放大器的基本原理及应用案例

锁相放大器(也称为相位检测器)是一种可以从干扰极大的环境(信噪比可低至-60dB，甚至更低)中分离出特定载波频率信号 的放大器。可以从下图(频谱图)中看出。

我们的需要的信号强度可能相比于背景噪声不是很明显。而我们锁相放大器的作用就是，把噪声强度强势地抑制下去，仅提取出我们想要的信号。打个比方：一个信号中含有如下成分：100kHz是我们的实际信号，它的强度是1mV。还有200kHz\300kHz等噪声，强度是5mV。那么这个信号经过了锁相放大器，可能就会被处理成100kHz 2mV的真实信号和 0.01mV的200kHz\300kHz的噪声信号。

我们需要对锁相放大器的基本原理有所了解，才能更好地调节相关参数并解调出我们想要地信号。

假定我们的真实信号是f1,首先我们要明确，对想解调的信号我们应该掌握一定信息，比如说我们已经知道了f1的确定频率，或者它的频率虽然在变化，但是我们有办法得到和它频率相同的不含噪声的信号也就是参考信号。

任何信号根据傅里叶级数展开都可被化为一些列正、余弦波的组合。

我们先来观察任意两个信号相乘的结果：利用积化和差，可以得到两路信号的和频和差频信号。当两路信号频率接近时，我们会得到一个近二倍频信号和一个接近直流的信号。低通滤波器的作用就是可以滤去电路中的高频信号，只保留低频(低通)的部分。所以两路频率接近的信号经过乘法器和低通滤波器。最终会得到一个低频(差频)信号。如果两路信号频率完全相同，最终会得到一个直流信号。如果f2幅值单位为1，频率确定。f1是输入信号，频率成分很多。那么经过如上处理，最后f1中只有和f2频率接近的信号会被保留，因为其它信号频率不同的差频也很大，被低通滤波器滤掉了。

乘法器和低通滤波器的可能实现图如下：这里了解即可。

需要注意的是，目前我们并没有引入相位的计算。引入相位，在数学上已知，会导致结果在原始信号强度基础上多一个系数。实际上我们很容易产生特定频率的参考信号f2，但精确控制f2的相位比较困难。幸运的是我们容易实现两路相位差90°的信号，虽然它们的具体相位不知道。

这就是传说中的双相位解调。我们多了一路参考信号f2’,虽然f1*f2的结果多了一个cos60°的系数，实际上这个系数可能是任何值。但它一定是和另一路f1*f2(角度+90°)即f1*f2’是有关的。好比例子中的cos60°和cos150°。他们的平方和为1。令X=f1*f2,Y=f1*f2’。那么X Y构成的直角三角形斜边就是我们f1待解调信号的幅值。

X Y的构成三角形的角度即Θ。f1引入相位对结果并无影响，此处证明略。

需要额外说明的是：滚降阶数的概念：低通滤波器可以多个串联。它们物理上的数量就是调节参数中的n。n越大，经过的低通滤波器数量越多，最后的滤波效果也就越好。但是需要的时间(响应时间也就越长)。

另一方面低通滤波器的其它参数：带宽、时间常数、截至频率(这三者组成一个公式，详见操作手册)。带宽可以简单理解为允许通过的频率范围。截止频率就是该频率经过此低通滤波器，能量正好被减半。至此，已基本介绍完锁相的基本内容，更多内容不再赘述。

下面介绍一个锁相应用的典型案例：微流控。便于深入理解。

锁相产生一个固定频率的交流信号(所以f1频率已知)。加到电极E1 E2上。由于细胞管，微流管阻抗很大，所以在E3 E4上只会感生出很弱的和f1频率相同的交流信号。同时经过细胞后，阻抗变化，这部分微弱的感生信号也会有所变化。我们需要把它提取出来。经过电流放大器模块，I1 、I2放大后再接入锁相放大器进行提取。那么可能信号如下：

经过细胞时，可以明显看见解调信号有所变化。把这个信号作为控制信号，控制E5的电极，生成电场，给细胞分类。控制细胞流向，进而达到”微流控”的效果。锁相的具体操作请见其它文章。

更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电

关于昊量光电：

上海昊量光电设备有限公司是国内知名光电产品专业代理商，代理品牌均处于相关领域的发展前沿;

产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，涉及应用领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及更细分的前沿市场如量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等;可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务。

审核编辑：汤梓红