鎖相放大器是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器。它利用和被測(cè)信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻(或者倍頻)、同相的噪聲分量有響應(yīng)。
因此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測(cè)信噪比。此外，鎖相放大器有很高的檢測(cè)靈敏度，信號(hào)處理比較簡單，是弱光信號(hào)檢測(cè)的一種有效方法。而市面比較有名的鎖相放大器就是美國斯坦福SR810或者SR830。下面具體介紹下這兩款放大器。
SR810 鎖定放大器和 SR830鎖定放大器以合理的成本提供高性能。SR830 同時(shí)顯示信號(hào)的幅度和相位，而 SR810 僅顯示幅度。兩種儀器都使用數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鎖定中的解調(diào)器、輸出濾波器和放大器。SR810 和 SR830 具有 1 mHz 至 102 kHz 的工作范圍和 100 dB 的無漂移動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備。
一、輸入通道
SR810 和 SR830 鎖定放大器具有差分輸入，輸入噪聲為6 nV/√Hz 。輸入阻抗為 10 MΩ，最小滿量程輸入電壓靈敏度為 2 nV。該輸入還可配置用于電流測(cè)量，可選擇電流增益為 10 6和 10 8 V/A。提供了一個(gè)線路濾波器(50 Hz 或 60 Hz)和一個(gè) 2× 線路濾波器(100 Hz 或 120 Hz)以消除線路相關(guān)干擾。然而，不同于傳統(tǒng)的鎖定放大器，輸入端不需要跟蹤帶通濾波器。傳統(tǒng)鎖定使用此過濾器來增加動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備。不幸的是，帶通濾波器還會(huì)引入噪聲、幅度和相位誤差以及漂移。這些鎖定的基于 DSP 的設(shè)計(jì)具有如此大的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備，因此不需要跟蹤帶通濾波器。
二、擴(kuò)展動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備
鎖定放大器在給定滿量程輸入電壓下的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備是最大干擾信號(hào)與滿量程輸入電壓的比值(以 dB 為單位)。最大干擾信號(hào)定義為在鎖定無法以zhiding精度測(cè)量信號(hào)之前，可應(yīng)用于輸入的任何頻率的最大信號(hào)幅度。
傳統(tǒng)的鎖定放大器使用模擬解調(diào)器將輸入信號(hào)與參考信號(hào)混合。動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備被限制在 60 dB 左右，這些儀器的穩(wěn)定性差、輸出漂移、增益和相位誤差過大。SR810鎖定放大器和 SR830鎖定放大器中的解調(diào)是通過使用高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并將數(shù)字化輸入乘以合成參考信號(hào)來完成的。這種數(shù)字解調(diào)技術(shù)產(chǎn)生超過 100 dB 的真實(shí)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備(無預(yù)濾波)，并且沒有與模擬儀器相關(guān)的誤差。
三、數(shù)字濾波
數(shù)字信號(hào)處理器還處理輸出濾波任務(wù)，允許從 10 µsec 到 30,000 s 的時(shí)間常數(shù)，可選擇 6、12、18 和 24 dB/oct 滾降。對(duì)于低頻測(cè)量(低于 200 Hz)，可以使用同步濾波器來切出參考頻率的倍數(shù)。由于參考的諧波已被消除(特別是 2F)，因此可以用更短的時(shí)間常數(shù)實(shí)現(xiàn)有效的輸出濾波。
四、數(shù)字相移
模擬相移電路也已被 DSP 計(jì)算所取代。相位以 0.01° 分辨率測(cè)量，X 和 Y 輸出與 0.001° 正交。
五、頻率合成器
內(nèi)置直接數(shù)字合成 (DDS) 源可生成極低失真 (-80 dBc) 的參考信號(hào)。可以生成 1 mHz 至 102 kHz 的單頻正弦波，分辨率為 4? 位。可以從前面板或計(jì)算機(jī)設(shè)置頻率和幅度。當(dāng)使用外部參考時(shí)，合成源被鎖相到參考信號(hào)。
六、自動(dòng)功能
自動(dòng)功能允許儀器自動(dòng)設(shè)置經(jīng)常調(diào)整的參數(shù)。增益、相位、偏移和動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備都可以通過一個(gè)按鍵快速優(yōu)化。在檢查測(cè)量中的小波動(dòng)時(shí)，偏移和擴(kuò)展功能很有用。輸入信號(hào)通過自動(dòng)偏移功能快速歸零，并且通過將相對(duì)值擴(kuò)展至高達(dá) 100 倍來提高分辨率。諧波檢測(cè)不再僅限于 2F 分量。現(xiàn)在可以在不改變參考頻率的情況下測(cè)量高達(dá) 102 kHz 的任何諧波(2F、3F、... nF)。
七、模擬輸入和輸出
兩種儀器都有一個(gè)用戶定義的輸出，用于測(cè)量 X、R、X 噪聲、Aux 1、Aux 2 或輸入信號(hào)與外部電壓的比率。SR830 具有第二個(gè)用戶定義的輸出，用于測(cè)量 Y、Θ、Y 噪聲、Aux 3、Aux 4 或比率。SR810 和 SR830 都有以 256 kHz 更新的 X 和 Y 模擬輸出(后面板)。提供四個(gè)輔助輸入(16 位 ADC)用于通用用途，例如將輸入標(biāo)準(zhǔn)化為源強(qiáng)度波動(dòng)。四個(gè)可編程輸出(16 位 DAC)提供 -10.5 V 至 +10.5 V 的電壓，并可通過前面板或計(jì)算機(jī)接口進(jìn)行設(shè)置。
八、內(nèi)部存儲(chǔ)器
SR810 Lock-In 有一個(gè) 8,000 點(diǎn)內(nèi)存緩沖區(qū)，用于以高達(dá) 512 個(gè)樣本/秒的速率記錄測(cè)量的時(shí)間歷史。SR830 有兩個(gè) 16,000 點(diǎn)緩沖器，可同時(shí)記錄兩個(gè)測(cè)量值。使用計(jì)算機(jī)接口從緩沖區(qū)傳輸數(shù)據(jù)。還提供觸發(fā)輸入以在外部同步數(shù)據(jù)記錄。
九、操作簡單
SR810 鎖定放大器和 SR830鎖定放大器使用簡單。所有儀器功能均通過前面板鍵盤設(shè)置，并提供旋轉(zhuǎn)旋鈕以快速調(diào)整參數(shù)。多達(dá)九種不同的儀器配置可以存儲(chǔ)在非易失性 RAM 中，以便快速輕松地進(jìn)行儀器設(shè)置。標(biāo)準(zhǔn) RS-232和 GPIB (IEEE-488.2)接口允許與計(jì)算機(jī)通信。所有功能都可以通過接口進(jìn)行控制和讀取。
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