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    鎖相放大器在TDLAS技術(shù)中的應(yīng)用

    更新時(shí)間:2022-08-25      點(diǎn)擊次數(shù):1403
     隨著科技的進(jìn)步,人們想要了解的現(xiàn)象越來越精細(xì)、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(qiáng)過數(shù)個數(shù)量級,我們?nèi)匀豢梢詮臉O其嘈雜的環(huán)境中提取具有已知載波的調(diào)制信號。
     
    試想我們應(yīng)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?qū)⒑苄〉男盘柗糯螅瑓s同時(shí)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(shí)現(xiàn)極窄的濾波器帶寬又是另一個十分復(fù)雜的技術(shù)難題。
     
    鎖相放大器應(yīng)用了相敏檢測(phase-sensitive detection, PSD)的技術(shù),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(shù)針對這個特性,利用具有同樣頻率的參考信號來抽取目標(biāo)的周期性信號,便可以大大降低噪聲的影響。
     
    在實(shí)際操作中,我們需要產(chǎn)生一個具有特定頻率ωr的參考信號作為載波(使用函數(shù)發(fā)生器或其他方法),并用此信號對目標(biāo)信號進(jìn)行調(diào)制,使目標(biāo)信號具有相同的頻率。我們可以將調(diào)制過的信號表示為Vsig sin(ωrt+Θsig),其中Vsig為信號強(qiáng)度、Θsig為相位。同時(shí),鎖相放大器根據(jù)輸入的參考信號,產(chǎn)生一個內(nèi)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(jīng)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,Θsig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(nèi)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。

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