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 AmplifierSUN 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: chenjiaguixiaoxiaotong.org1962 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 45。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） 135SIGNAL 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 0370o 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，90 o 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：（1）cos)(roVktu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ous r 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： ，正cosrVkI交输出则为： ，由上述两路输出可以计算出被测信号的幅度和相位：sinrVkQ， （2）21Irs)arct(IQ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。电流电压转换参考输入REF INTTL REF INQ-PSDAPSDBA.BA.BBA输出放大输出放大辅助输入信号输入 B/IA 滤波器组低通滤波+90o参考触发低通滤波A/D内部时钟DSP D/ACH1CH2AUX时钟输出相移微控制器IEEE-GPIBRS232正交矢量锁相放大器相放图 1 模拟锁相放大器（ALIA）的典型结构输入放大模拟电子器件存在温度漂移，又由于各个有源模拟器件本身就是个噪声源，而无源器件也会引入噪声，这些电子系统的噪声会影响 ALIA 输出信噪比的提高，也影响输出直流放大器的放大倍数的提高。更为重要的是 ALIA 本身是一个开环系统，无法对干扰造成的误差予以纠正。这些因素限制了 ALIA 性能的提高和更进一步的发展。目前，在要求短时间响应的二级锁相检测系统、二级锁相闭环检测系统和高频率的锁相系统检测等的应用中，ALIA 仍然不可替代。二. 数字锁相放大器（DLIA ） 4如果 LIA 的相敏检波器（或同步解调器）是用数字信号处理的方式实现的，就成为DLIA。SIGNAL RECOVERY 公司提供了多种的、系列的 DLIA，如7210、7225、7225BPF、7265、7280 和 7280BFP 等，其原理如图 2 所示。一般的结构包括以下一些部分，即信号输入通道、参考输入通道、数字相敏检波器、正交数字相敏检波器、数字低通滤波器、输出通道、辅助输入通道、输出微处理器、辅助输出通道和微控制器部分。其中信号的输入通道与 ALIA 相同，只不过是交流放大必需 保证转换为数字信号时有足够大的幅值。抗混叠滤波器是模拟信号数字化之前所要考虑的，其作用是滤除不需要的频率信号，并将要数字化的信号在不失真前提下将其频率上限限制在采样频率的一半以下，避免 ADC 的信号出现虚假信号，即主ADC 的采样频率必须满足采样定律。被转换后的数字信号被送入数字信号处理器（DSP）中，依据一定的算法完成相敏检波器的功能，再通过数字低通滤波器后获取差频后的直流信号。参考通道以信号输入通道相同的采样速率提供数字相敏检波器所需要的相位信息，参考输入通道同样有内部和外部参考信号两种。在外部参考信号模式下，输入的模拟参考信号或逻辑电平，被一个DSP 单元采用数字锁相环算法测量其频率，并产生所需要的相位信号。在内部参考信号的模式下，只需要给参考 DSP 单元输入所需要的参考信号频率值，就可以在所选定的频率上产生数字相敏检波处理单元所需要的相位信号，这种方式不需要外部参考信号和 ALIA 所需要的相位锁相环，因此不需要时间锁相就可直接输出相位信号，降低了相位噪声。参考通道中的 n 倍频器不仅可以在与输入信号相同的频率上进行锁相，而且还可以在输入信号的 n 倍谐频上进行锁相检测，这在俄歇光谱学等领域中是非常有用的，但是 n 倍频后最大频率是受最大参考频率限制的。参考信号处理单元也可实现数字参考相移，其精度可达到毫度。同相相位和正交相位信号在数字处理单元中一般通过查询的方式实现，可以使同相相位信号和正交相位信号同时提供给两个数字解调器，使输出的两个分量能同步输出。输出通道中的数字低通滤波器，可以减小模拟滤波器的截止频率不稳定所造成的误差。输出 DAC 将数字信号转换为模拟信号输出，输出处理单元可以通过和的平方根算法和除法算法计算出被测信号的幅值和相位。输出微处理器可以对从辅助 ADC 的数字信号进行必要的运算，在通过 DAC 转换为模拟信号输出或数字显示。另外 DLIA 还包括一个微控制器，该微处理器有辅助数字输出、数字显示，键盘通讯，IEEE-488 通讯和 RS233 通讯功能。与 ALIA 相比， DLIA 有以下优点：（1）由于 DLIA 在输出通道中没有直流放大器，可以避免直流放大器的工作特性随时间变化的不稳定性和由于温度变化引起的温度漂移带来的干扰，这是 ALIA 不可解决的问题之一；（2）DLIA 的内部晶振时钟源随时间和温度变化小，用这种稳定性高的时钟源来做调制信号和参考信号能降低参考信号的不稳定所带来的误差，同时在内部参考模式中，数字信号处理单元能在最短时间甚至能不需要延时就能完成锁相功能，尤其在频率扫描测量中有其明显的优点；（3） 如果被测信号有较强的正交性，采用 DLIA 的高性能的正交解调技术，使微弱信号检测精度能得到很大程度上的提高；（4）随着技术的发展，数字信号处理单元的性价比提高，使 DLIA 的性价比也得到相应的提高，数字锁相技术将会更深入地影响未来的测量技术。显示 键盘快速幅值输出快速 Y 输出Ch2 输出Ch1 输出辅助输出辅助输入tc