为什么锁相放大器有很强的抗噪声能力.docx

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为什么锁相放大器有很强的抗噪声能力

为什么「锁相放大器」有很强的抗噪声能力？

锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因为很好地利用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间在性质上的差别。

在这里，我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质，一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力。

■平坦的频谱

在宽阔的频率范围内，该信号具有几乎相同的频谱。

信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。

■随着频带宽度不同测量电压会改变

在用毫伏计测量白噪声时，得到的测量值和白噪声所具有的频谱带宽（BandWidth:

B.W.）的平方根以及电平成比例。

测量得到的电压值，与下图中的浅蓝色部分的面积成比例。

即使对于同样的噪声，如果用带通滤波器（BPF）来限制所通过的频带，那么测量所得的电压值就会不同。

把测量所得的噪声电压（Vrms），除以频带宽度的平方根，就得到用表示噪声大小的单位、也即称作噪声电压密度（V/√Hz）来衡量的值。

频道宽度如果缩小到1/100，那么测量所得的噪声电压就缩小到1/10。

■频谱非常集中

1kHz正弦波信号的频谱，只存在于1kHz的位置，其他地方的频谱的电平都为零。

■与频带宽度无关，测量所得电压保持一定的值。

因为频谱是集中分布的，所以不受频带宽度的影响，测量所得的电压保持一定的值。

但是，必须要使信号频率存在于所取的频带之内。

用交流电压表所测量的电压值，与频带宽度无关，是上图中的V。

即使白噪声与正弦波进行加法运算所得的信号，测量所得的电压对于频带宽度所具有的各种性质也不会有变化。

所以，当带通滤波器的频带宽度变狭窄时，就会有以下结果：

1.想要测量的信号的电平不变；

2.白噪声的强度减小；

3.交流声等频率不同的成分也当然被削弱。

从以上这些结果可知，为了测量被噪声所掩埋的信号，应该将带通滤波器的频带宽度变窄。

如果将频带宽度缩小到1/N，那么噪声就减小到1/√N，而信号却不改变，其结果SN比（信噪比）改善为1/√N。

为了说明「锁相放大器利用了噪声与目的信号所具有的不同性质，所以不容易受到噪声的影响」，前面已解说了以下几个要点：

∙噪声（白噪声）的性质；

∙正弦波的性质；

∙从白噪声与正弦波合成的信号中，使用带通滤波器可以使目的信号（正弦波）从噪声中浮现出来。

■使通带变狭窄的限度

使用带通滤波器只让想要测量的频率信号通过，可以抑制噪声，让目的信号浮现出来。

但是，使带通滤波器的通带宽度变窄，这也是有限度的。

在带通滤波器中，中心频率与通带宽度的比值称作Q值，作为衡量带通滤波器的滤波尖锐程度的一项指标来使用。

Q值越大，通带宽度就越窄，抑制噪声的能力就越强。

但是，一般的滤波器所能够实现的Q值，大约在100左右。

对于1kHz的中心频率，相应的通带宽度的限界大约在10Hz左右。

Q值不能任意增大的原因，在于组成滤波器的零部件的精确度和时间/温度的稳定性是有限的。

把带通滤波器与锁相放大器做一个比较。

Q（中心频率/通带宽度）

中心频率

带通滤波器

100左右（10Hz@1kHz）

固定（不容易改变）

锁相放大器

～107左右（0.1mHz@1kHz）

追随测量信号

锁相放大器用特殊的方法，使Q提高到约为107（通常的带通滤波器约为100左右），而且实现了一种特殊的带通滤波器，能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上。

「锁相放大器」是一种什么结构的测量仪器？

锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。

在外差式振荡技术中被称为本地振荡（LocalOscillation）的、用于做乘法运算的信号，在锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。

锁相放大器能够（从被测量信号中）检测出与这个参照信号频率相同的分量。

在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器（LPF）。

其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。

在频率域中，如下图所示。

锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF）的截止频率来确定的。

例如，在测量10kHz的信号时，如果使用1mHz的低通滤波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器时的噪声抑制能力。

如果换算成为Q值，就相当于5×106。

要想真正制造这样高的Q值的带通滤波器，那是不可能的。

但是，使用锁相放大器，这就很容易实现了。

如同前面所解说的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器（BPF）时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。

与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。

与带通滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实现。

由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。

■使用PSD（相敏检波器）作为乘法器。

如前面所解说的那样，频率变换是通过乘法运算来进行的。

一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。

所以，在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换。

由开关元件所进行的同步检波电路，称作PSD（相敏检波器，PhaseSensitiveDetector）,这是组成锁相放大器的心脏部分。

采用方波作为参照信号，与参照信号同步使被测量信号的极性翻转，也就是在×1/×（-1）这两者之间进行切换。

■需要进行相位调节。

如下图所示，PSD的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的相位差，而产生很大的变化。

由此，低通滤波器（LPF）的输出信号（也就是锁相放大器测量所得到的值）也会产生变化。

除了相位差为0°之外，在其他状态下不能很好地测量被测信号的大小。

这样，就需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0°，然后再输入到PSD。

这个相位调节的电路，称作移相电路（PhaseShifter）,是锁相放大器中必不可少的电路。

上述的锁相放大器，称作「单相位锁相放大器」。

为了能够正确地测量振幅和相位，需要有能够调节移相电路的「相位调节」部分。

另外，如果将参照信号的相位移动90°，使用两个PSD，那么也可以组成不需要调节相位的「双相位锁相放大器」。

对于通常的电压表，是有测量量程的。

在10V量程，能测量的最大电压为10V。

如果超过了10V电压，那么就需要增大量程，例如，用20V的量程进行测量。

锁相放大器也是一种电压表，当然也有测量的量程。

但是，锁相放大器是用来测量被掩埋在噪声中的微弱信号的，所以除了通常的测量量程之外，还具有被称作为“动态保留”的一个参数。

该参数表示可以容忍测量量程的最大多少倍的噪声，由下面的公式来定义。

对于几乎所有的锁相放大器，与被测量的信号在一起，“动态保留”是有若干个档级可以变更的。

例如，在一开始介绍的「在要测量的0.1mVrms的目的信号上，叠加了0.1Vrms（≈0.8Vp-p）的噪声电压」的那一个例子中，如果把测量量程设定为0.1mV量程，那么就需要有78dB以上的动态保留。

「用微小电流来测量接插件的接触电阻」

　～是否用大电流来测量接插件的接触电阻？

～

接插件的接触电阻，是通过电流流过接触点时所产生的电压降来进行测量的。

在JIS等标准中，规定了测量电流为10～20mA。

但是，除了电源线以外，实际上真正使用这样大的电流的接插件几乎是没有的，这是实情。

用于传递信号的接插件，在实际使用情况下的电流接近于0，所以，用大电流测量所得的值很可能与实际的使用状态不同。

如果使用锁相放大器，那么即使是用以往在事实上不可能的1μA左右的微小电流，也能够稳定地测量接触电阻。

零部件名称电阻值

印刷电路板插头座9.2mΩ

用于设备内部连接的插头座3.9mΩ

用于设备之间连接的插头座1.8mΩ

用于设备之间的金属插头座1.1mΩ

小型拨动开关1.2mΩ

集成电路插座3.9mΩ

∙

能够用1μA左右的微小电流来测量接触电阻。

∙因为采用交流法进行测量，所以不会受到接触电位、温差电动势的影响。

「测量光源的方向特性」

　～有干扰光的影响，不会降低测量精度吗？

～　

在进行光的测量时，为了避免外来光线的干扰，需要在暗室里进行测量，这是一般的常识。

但是，不管设置多么好的暗室，也不可能使外来的干扰光线化为零。

另外，在用红外光谱仪测量时，周围的温度本身就成为外来的干扰光线。

被外来干扰光线所掩埋的微弱光信号，如果使用锁相放大器，就能够「将外来干扰光线除去」、也就是「将噪声除去」，而仅将目的信号检测出来。

下面所示的是一个测量光源的发光强度分布状况（方向特性）。

光源向着正面方向发射最大的光通量。

越偏离正面方向，光通量就越少。

在处理传感器检测出来的信号时，除了有上图所示的锁相放大器之外，也有使用下图所示的●交流电压表●带通滤波器+交流电压表来进行测量的例子。

●用交流电压表进行检测

●用带通滤波器限制通频带，再用交流电压表进行检测。

——用三种不同测量方法进行的测量结果比较——

在使用锁相放大器进行的测量中，外来干扰光线的影响几乎都被消除。

在使用交流电压表得到的测量结果中，所测量到的只是外来干扰光线的强度。

∙能够进行不受外来干扰光线影响的测量。

∙比被测量信号强100dB（=105）的外来干扰中，能够把目的信号检测出来。

∙可以进行nV量级的微弱电平的测量。

「测量物质的热传导特性」

　～热传导特性是如何测量的？

～

热在物质中的传导速度，由于与散热特性直接相关，所以在功率电子学等的半导体器件领域上是一项重要的特性。

在给定了热源之后，在测量测定点的温度上升时，因为容易受到周围环境温度的影响，所以很难进行高精确度的测量。

在使用锁相放大器用交流法进行的热传导特性的测量中，由于不受到周围环境温度的影响，故有高精确度地求得热传导延迟时间等的优点。

∙不受周围环境温度的影响。

∙能够正确地求得热传导延迟时间（热量传递的速度）。