鎖相放大器的基本原理詳解

　　鎖相放大器(也稱為相位檢測器)是一種可以從干擾極大的環(huán)境(信噪比可低至-60dB，甚至更低)中分離出特定載波頻率信號 的放大器?？梢詮南聢D(頻譜圖)中看出。

　　我們的需要的信號強度可能相比于背景噪聲不是很明顯。而我們鎖相放大器的作用就是，把噪聲強度強勢地抑制下去，僅提取出我們想要的信號。打個比方：一個信號中含有如下成分：100kHz是我們的實際信號，它的強度是1mV。還有200kHz300kHz等噪聲，強度是5mV。那么這個信號經(jīng)過了鎖相放大器，可能就會被處理成100kHz 2mV的真實信號和 0.01mV的200kHz300kHz的噪聲信號。

　　我們需要對鎖相放大器的基本原理有所了解，才能更好地調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)并解調(diào)出我們想要地信號。

　　假定我們的真實信號是f1,首先我們要明確，對想解調(diào)的信號我們應(yīng)該掌握一定信息，比如說我們已經(jīng)知道了f1的確定頻率，或者它的頻率雖然在變化，但是我們有辦法得到和它頻率相同的不含噪聲的信號也就是參考信號。

　　任何信號根據(jù)傅里葉級數(shù)展開都可被化為一些列正、余弦波的組合。

　　我們先來觀察任意兩個信號相乘的結(jié)果：利用積化和差，可以得到兩路信號的和頻和差頻信號。當兩路信號頻率接近時，我們會得到一個近二倍頻信號和一個接近直流的信號。低通濾波器的作用就是可以濾去電路中的高頻信號，只保留低頻(低通)的部分。所以兩路頻率接近的信號經(jīng)過乘法器和低通濾波器。最終會得到一個低頻(差頻)信號。如果兩路信號頻率完全相同，最終會得到一個直流信號。如果f2幅值單位為1，頻率確定。f1是輸入信號，頻率成分很多。那么經(jīng)過如上處理，最后f1中只有和f2頻率接近的信號會被保留，因為其它信號頻率不同的差頻也很大，被低通濾波器濾掉了。

　　乘法器和低通濾波器的可能實現(xiàn)圖如下：這里了解即可。

　　需要注意的是，目前我們并沒有引入相位的計算。引入相位，在數(shù)學上已知，會導致結(jié)果在原始信號強度基礎(chǔ)上多一個系數(shù)。實際上我們很容易產(chǎn)生特定頻率的參考信號f2，但精確控制f2的相位比較困難。幸運的是我們?nèi)菀讓崿F(xiàn)兩路相位差90°的信號，雖然它們的具體相位不知道。

　　這就是傳說中的雙相位解調(diào)。我們多了一路參考信號f2’,雖然f1*f2的結(jié)果多了一個cos60°的系數(shù)，實際上這個系數(shù)可能是任何值。但它一定是和另一路f1*f2(角度+90°)即f1*f2’是有關(guān)的。好比例子中的cos60°和cos150°。他們的平方和為1。令X=f1*f2,Y=f1*f2’。那么X Y構(gòu)成的直角三角形斜邊就是我們f1待解調(diào)信號的幅值。

　　X Y的構(gòu)成三角形的角度即Θ。f1引入相位對結(jié)果并無影響，此處證明略。

　　需要額外說明的是：滾降階數(shù)的概念：低通濾波器可以多個串聯(lián)。它們物理上的數(shù)量就是調(diào)節(jié)參數(shù)中的n。n越大，經(jīng)過的低通濾波器數(shù)量越多，最后的濾波效果也就越好。但是需要的時間(響應(yīng)時間也就越長)。

　　另一方面低通濾波器的其它參數(shù)：帶寬、時間常數(shù)、截至頻率(這三者組成一個公式，詳見操作手冊)。帶寬可以簡單理解為允許通過的頻率范圍。截止頻率就是該頻率經(jīng)過此低通濾波器，能量正好被減半。至此，已基本介紹完鎖相的基本內(nèi)容，更多內(nèi)容不再贅述。

　　下面介紹一個鎖相應(yīng)用的典型案例：微流控。便于深入理解。

　　鎖相產(chǎn)生一個固定頻率的交流信號(所以f1頻率已知)。加到電極E1 E2上。由于細胞管，微流管阻抗很大，所以在E3 E4上只會感生出很弱的和f1頻率相同的交流信號。同時經(jīng)過細胞后，阻抗變化，這部分微弱的感生信號也會有所變化。我們需要把它提取出來。經(jīng)過電流放大器模塊，I1 、I2放大后再接入鎖相放大器進行提取。那么可能信號如下：

　　經(jīng)過細胞時，可以明顯看見解調(diào)信號有所變化。把這個信號作為控制信號，控制E5的電極，生成電場，給細胞分類?？刂萍毎飨?，進而達到”微流控”的效果。