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锁相放大器的进展 中国科学院物理研究所 孙志斌 陈佳圭 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和性能的比较，分析锁相放大器的发展过程。文章通过数字锁相放大器的硬件结构、软件和算法三个方面来讨论数字锁相放大器的新发展。这些新发展使数字锁相放大器出现了许多新的特征，如模块化结构、算法设计灵活、软件升级能力强、使其性价比大为提高。给锁相放大器的发展带来了新的前景和动力。 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 1962年美国EGG PARC的第一台锁相放大器的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，并极大的推动了基础科学和工程技术的发展[1] [2]。目前，微弱信号检测技术已经成为很多科学领域中进行现代科学研究不可缺少的手段，而未来科学研究的发展也必将对微弱信号检测技术提出更高的要求[3]。 早期的锁相放大器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模拟锁相放大器，这种混合锁相放大器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的基础上多了一些模数转换、数模转换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，本质上也是模拟锁相放大器。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，数字锁相放大器比模拟锁相放大器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，模拟锁相放大器仍然发挥着数字锁相放大器不可替代的作用[4~5]。 本文将通过介绍模拟锁相放大器的基本结构、不足之处和特点；接着将重点介绍数字锁相放大器的一般结构，并通过硬件，软件和算法三方面来说明数字锁相放大器的发展趋势。 模拟锁相放大器[1~3][5] SIGNAL RECOVERY 公司的5109，5110，5209 和5210型是模拟锁相放大器，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信号和电流信号两种形式。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要根据具体实验情况来确定，滤波器组主要分为线性陷波滤波器、组合滤波器，线性滤波器主要是滤除工频及其二次谐频的干扰信号；组合滤波器可以设置为低通、高通、带通和陷波四种模式，在实验中可以根据需要来选择。参考输入通道由参考触发、内部时钟、相移和90o相移组成360o可变移相。参考输入信号可以使用外部参考输入信号和内部时钟信号，由于参考触发电路存在，外部参考信号可以为多种形式，只要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、三角波和其它信号都可以像正弦信号一样作为参考信号使用，也可以用TTL信号或逻辑电平作为参考信号使用；内部时钟信号作为参考信号，并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锁相放大器模式。相移器调节参考信号的相位可以使输入信号与参考信号的相位差为零。在双相位锁相放大仪器中，90o相移器输出一个与输入信号正交的参考信号，用来驱动正交相敏检波器，同样通过后续的低通滤波器，检测出所需的被测信号信息，再经过直流放大器的放大，最后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： （1） 其中是低通滤波器输出信号，是输入信号的幅值，是参考信号的幅值，是输入信号与参考信号之间的相位差，系数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相位差为零或是一个确定不变的常数，参考信号的振幅也应该是固定不变的常量，另外还有一个条件是要保证输入信号与参考信号的频率相同。只有在这些条件都满足的情况下，锁相放大器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的原理是在上述单个相敏检波器的基础上多了一个正交相敏检波器，正交相敏检波器工作原理与单个相敏检波器的原理相同，唯一差别就