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锁相放大器在TDLAS技术中的应用

发布时间:2022-08-25      点击次数:56
 随着科技的进步,人们想要了解的现象越来越精细、想测量的信号也越来越微弱。多亏有了锁相放大器(phase lock-in amplifier),如今即使噪声比信号强过数个数量级,我们仍然可以从极其嘈杂的环境中提取具有已知载波的调制信号。
 
试想我们应该如何从杂乱无章的噪声中提取我们所需的信号?最直观的线性放大器能够将很小的信号放大,却同时也将噪声放大。如果再加上一个针对信号频率的滤波器滤除其他频率的噪声,看似可以解决不少问题,然而若是滤波器带宽太大,信号频率附近的噪声还是会一起输出,甚至掩盖信号,想要实现极窄的滤波器带宽又是另一个十分复杂的技术难题。
 
锁相放大器应用了相敏检测(phase-sensitive detection, PSD)的技术,可以测量非常微弱的连续周期性信号。相对于噪声,连续周期性信号具有固定的频率和相位,相敏检测技术针对这个特性,利用具有同样频率的参考信号来抽取目标的周期性信号,便可以大大降低噪声的影响。
 
在实际操作中,我们需要产生一个具有特定频率ωr的参考信号作为载波(使用函数发生器或其他方法),并用此信号对目标信号进行调制,使目标信号具有相同的频率。我们可以将调制过的信号表示为Vsig sin(ωrt+Θsig),其中Vsig为信号强度、Θsig为相位。同时,锁相放大器根据输入的参考信号,产生一个内部本振信号Vloc sin(ωLt+Θloc)。将这两个信号相乘,我们将得到两个频率分别为(ωr+ωL)和(ωr-ωL)的交流信号:
 


由于ωr=ωL,此信号经过低通滤波器后,我们会得到一个直流信号:



若要稳定获得信号,Θsig和 Θloc之间的相位差必须始终保持一致,这需要由锁相放大器中的锁相环(phase-lock loop)来动态锁定外部参考信号,确保内部信号的频率与外部参考信号的频率相同(即ωr=ωL),并维持固定的Θsig-Θloc相位差。

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