羅西尼锁相放大器的新进展.docVIP

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EGG 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。 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