鎖相放大器是利用互相關原理設計的一種同步相關檢測儀，利用參考信號與被測信號的互相關特性，提取出與參考信號同頻率和同相位的被測信號。鎖相放大器可在比被測光信號強100dB的外來干擾中檢測出目的信號。從鎖相放大器問世以來，由于其在微弱信號檢測方面的優越性能，在科學研究的各個領域得到廣泛的應用。

　　鎖相放大器有三個特點：用調制器將直流或漸變信號進行交流放大，可以避免噪聲的不利影響；利用相敏檢測器實現對調制信號的解調，同時檢測頻率和相位，噪聲與信號同頻又同相的概率很小；利用低通濾波器來抑制噪聲，低通濾波器的頻帶可以做的較窄，而且其頻帶寬度不受調制頻率的影響，穩定性也大大地提高。

　　一、鎖相放大器的工作原理

　　鎖相放大器采用外差式振蕩技術，利用信號的相關原理對混有噪聲的周期信號進行相關運算后，從噪聲信號中檢測出目標信號。其工作原理框圖如圖1所示。

　　信號通道的作用是將伴有噪聲的輸入信號放大，并經選頻放大對噪聲進行初步處理；參考通道的作用是提供一個與輸入信號相同的方波；相敏檢波的作用是對輸入信號和參考信號完成乘法運算，從而得到輸入信號與參考信號的和頻與差頻信號；低通濾波的作用是濾除高頻信號成分，這使得等效帶寬變窄，從而實現提取噪聲中的微弱信號。

　　假設待測信號是Asin（ωt+α），噪聲為n（t），參考通道信號是Bsin（ωt+β），其中幅值B是確定的，兩路信號在相敏檢測環節中進行相乘運算，結果為：

　　式（1）中第一項為直流成分，大小與兩信號幅值及相位差的余弦成正比；第二項為待測信號的倍頻信號。和待測信號同時進入乘法器的噪聲也要和參考信號相乘，結果n（t）Bsin（ωt+β）幾乎都是交流信號。低通濾波器的通帶可以做得很窄，經過低通濾波器，待測信號的二倍頻信號和噪聲與參考信號相乘的結果都被濾掉，僅剩下直流信號，即0.5ABcos（α-β），只要兩個信號的初相位α和β是已知的，則cos（α-β）是恒定的。由于參考信號的幅值B是確定的，那么很容易得到待測信號的幅值A。

　　在單通道中很難做到cos（α-β）的恒定，即參考信號和被測信號同相位。為了消除（α-β）值的不確定帶來的影響，對參考信號做90°的移項作為第二路鎖相的參考信號，這樣雙通道的鎖相放大器就能實現動態地測量幅值和相位。

　　二、雙相鎖相放大器系統的硬件設計

　　2.1雙相鎖相放大器工作原理

　　如圖2所示，雙相鎖相放大器是由兩個完全相同的信號通道和相關器組成，其信號通道輸出兩路相同信號，參考通道輸出兩路相位相差90°的正弦波信號，分別在兩個相關器（AD630）中檢波。故其兩個相關器輸出分別為

　　2.2參考信號產生

　　參考信號可以是方波、三角波、正弦波等周期性信號，本設計中采用正弦波。正弦信號的產生采用ADI公司生產的AD9850，其電氣連接如圖3，它是采用先進的COMS技術的直接頻率合成器，最高時鐘頻率可以達到125MHz。它結合一個片內高速、高性能DAC和比較器構成一個完全數字控制可編程頻率合成器。設輸出信號的頻率為fOUT，參考頻率為CLKIN，AD9850的頻率控制字為△PHASE，則三者之間的關系為：△PHASE=（fOUT·2的32次方）/CLKIN。

　　由雙相鎖相放大器的工作原理可知，參考通道輸出的兩路信號中需對其中一路進行90°相移，其相移與相位控制之間的對應關系參考表1，頻率、相位控制字的各位分配表參考表2。

　　2.3相關器設計

　　ADI公司的AD630由兩個運算放大器A和B、切換開關S、輸出積分放大器、比較器COMP（含三極管T）、片內電阻、片內補償電容組成。由COMP驅動開關S置A或B，通道A和B之間隔離度超過100dB，分時工作，片內電阻均是高穩定度的SiCr薄膜電阻，片內補償電容經外管腳連接，不需外接電容即可穩定工作在閉環增益上。最重要的是AD630的兩路增益保持嚴格匹配的1∶1關系，是設計制作鎖相放大器的最為理想的集成芯片。

　　本文的雙相鎖相放大器就是采用了兩片AD630來設計其雙通道的信號相關器，該系統的電氣連接如圖4，其中相移電路由與或門CD4030實現，單穩態觸發由觸發器MC14528實現，D觸發器由CD4013組成，延遲時間通過調節R6的大小來選擇。

　　　2.4低通濾波

　　由OP07構成的低通濾波器是一個典型的一階低通濾波器，其電路圖如圖5，該電路的傳遞函數為T=R7C4為該一階低通濾波器的時間常數，由圖4中電路可以算出：T=5ms，其截至頻率為f0=32Hz，當f?f0時，其衰減斜率為-20dB/dec。該低通濾波能很好的濾除相敏檢波器中產生的高頻信號成分，提高了信噪比。

　　三、雙相鎖相放大器系統的軟件設計

　　該雙相鎖相放大器的控制單元采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812，2812具有150MHz的主頻，最高可達12.5MSPS的AD轉換速率，轉換通道具有自動排序功能，這些特點保證了AD采樣的實時性。本系統程序流程圖如圖6。

? ? ? ? 四、實驗結果分析

　　設計參考信號的頻率是5kHz，初始相位是0°，故在AD9850初始化程序中的控制字初始化為：0x00；0x00；0x03；0x46；0xdc。在沒有加隔直流的電容前的波形都是在零上的，如圖7，加了隔直流的電容后的波形圖如圖8。從波形圖上看出正弦波的頻率是5.006kHz，誤差為0.6%。

　　主要的誤差來源于計算控制字過程中，理論上要輸出5kHz的波形控制字大小為214748.3648，在轉化為十六進制后是0X346DC，而0X346DC轉化為十進制是214748，在十進制轉化為十六進制過程省略了小數部分。

　　在調試AD9850過程中遇到過一個問題，在硬件電路和軟件的時序都按照資料中的推薦方式設計好后沒有出現正弦波，而是一個幅值在100mV左右的直流信號。經研究發現AD9850的資料中并沒有給出RESET管腳的控制時序，在程序中填加了對RESET管腳的控制后，正弦波波形出現了。

　　4.2鎖定放大器

　　圖9波形A是頻率5kHz，幅值為1.2V的被測信號，波形B是頻率為5kHz，相位與波形A一致，幅值為1.2V的參考信號，波形C是經雙相鎖相放大器的相敏檢測單元之后的圖形。

　　五、總結

　　本文概述了鎖相放大器的基本原理和雙相鎖相放大器的設計過程。在雙相鎖相放大器的研制過程中，對其功能實現和精度提高上做了大量實驗，并獲得一定成效。該雙相鎖相放大器在利用激光吸收光譜技術進行摩托車尾氣檢測的系統中，能有效地檢測出淹沒在很強噪聲中的攜帶有用信息的微弱信號。