隨著科技的進步,人們想要了解的現象越來越精細、想測量的信號也越來越微弱。多虧有了鎖相放大器(phase lock-in amplifier),如今即使噪聲比信號強過數個數量級,我們仍然可以從極其嘈雜的環(huán)境中提取具有已知載波的調制信號。
試想我們應該如何從雜亂無章的噪聲中提取我們所需的信號?最直觀的線性放大器能夠將很小的信號放大,卻同時也將噪聲放大。如果再加上一個針對信號頻率的濾波器濾除其他頻率的噪聲,看似可以解決不少問題,然而若是濾波器帶寬太大,信號頻率附近的噪聲還是會一起輸出,甚至掩蓋信號,想要實現極窄的濾波器帶寬又是另一個十分復雜的技術難題。
鎖相放大器應用了相敏檢測(phase-sensitive detection, PSD)的技術,可以測量非常微弱的連續(xù)周期性信號。相對于噪聲,連續(xù)周期性信號具有固定的頻率和相位,相敏檢測技術針對這個特性,利用具有同樣頻率的參考信號來抽取目標的周期性信號,便可以大大降低噪聲的影響。
在實際操作中,我們需要產生一個具有特定頻率ωr的參考信號作為載波(使用函數發(fā)生器或其他方法),并用此信號對目標信號進行調制,使目標信號具有相同的頻率。我們可以將調制過的信號表示為Vsig sin(ωrt+Θsig),其中Vsig為信號強度、Θsig為相位。同時,鎖相放大器根據輸入的參考信號,產生一個內部本振信號Vloc sin(ωLt+Θloc)。將這兩個信號相乘,我們將得到兩個頻率分別為(ωr+ωL)和(ωr-ωL)的交流信號:
由于ωr=ωL,此信號經過低通濾波器后,我們會得到一個直流信號:
若要穩(wěn)定獲得信號,和 Θloc之間的相位差必須始終保持一致,這需要由鎖相放大器中的鎖相環(huán)(phase-lock loop)來動態(tài)鎖定外部參考信號,確保內部信號的頻率與外部參考信號的頻率相同(即ωr=ωL),并維持固定的Θsig-Θloc相位差。
一個典型的鎖相放大器工作原理
鎖相放大器經過相敏檢波后的低通濾波器的參數選擇也很重要。低通濾波的作用不僅僅是過濾掉上述的合頻信號,同時也決定著進入到解調結果輸出的噪聲帶寬。因此,一般的鎖相放大器的低通濾波器帶寬是可以調整的,帶寬愈小,輸出噪聲愈小,解調信噪比越高,但是,若是濾波帶寬調整得過低,可能會使解調信號的高頻部分衰減,造成信號失真。在早期的模擬電子鎖相電路中,低通濾波器的帶寬調整是由電容的積分時間來決定的?,F代的鎖相放大器多是由數字電路(濾波器)來實現,用積分時間這個指標來表示濾波器帶寬的傳統,仍然保留至今。
鎖相放大器在TDLAS技術中的應用
昕虹光電深耕于可調諧半導體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,簡稱 TDLAS)技術 ,是一種利用分子“選頻"吸收形成吸收光譜的原理,實現高分辨率的分子濃度定量分析技術。TDLAS通常與波長調制光譜技術(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)結合應用,通過選擇調制頻率來抑制激光噪聲和光電探測器電子噪聲,再利用相敏鎖相檢測技術(即鎖相放大),得到與被測氣體濃度成正比的諧波信號,從而有效提高測量系統的靈敏度。
面對TDLAS系統中對鎖向放大氣的需求,昕虹光電HPLIA微型雙通道調制解調鎖相放大器以當今FPGA +ARM單片機的業(yè)界流行配置而設計。浮點數數字信號處理的計算任務由FPGA硬件加速完成,而結果數據采集和上位機交互由ARM單片機處理。為了提高性價比,系統以獨立雙輸入輸出通道為原則設計,從而在單板上實現雙路鎖相通道的應用。比如,一路通道可用作測量信號,而另一路可用作參考信號;亦或一路做一次諧波解調,而另一路做二次諧波解調。考慮用戶使用上的便利性,HPLIA集成了信號發(fā)生功能,同時作為調制信號(上文中載波)和內部參考信號,無需鎖相環(huán)便可以保證兩路信號同頻同相。