您好, 歡迎來到化工儀器網
6
鎖相放大器工作原理及其在TDLAS的應用
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(tǒng)，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(tǒng)的靈敏度,。
面對TDLAS系統(tǒng)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(tǒng)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,。