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鎖相放大器工作原理及其在TDLAS的應(yīng)用
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(cè)量的信號(hào)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(hào)強(qiáng)過數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，我們?nèi)匀?/span>可以從極其嘈雜的環(huán)境中提取具有已知載波的調(diào)制信號(hào)。
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(hào)？最直觀的線性放大器能夠?qū)⒑苄〉男盘?hào)放大，卻同時(shí)也將噪聲放大。如果再加上一個(gè)針對(duì)信號(hào)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(hào)頻率附近的噪聲還是會(huì)一起輸出，甚至掩蓋信號(hào)，想要實(shí)現(xiàn)極窄的濾波器帶寬又是另一個(gè)十分復(fù)雜的技術(shù)難題。
鎖相放大器應(yīng)用了相敏檢測(cè)（phase-sensitive detection, PSD）的技術(shù)，可以測(cè)量非常微弱的連續(xù)周期性信號(hào)。相對(duì)于噪聲，連續(xù)周期性信號(hào)具有固定的頻率和相位，相敏檢測(cè)技術(shù)針對(duì)這個(gè)特性，利用具有同樣頻率的參考信號(hào)來抽取目標(biāo)的周期性信號(hào)，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(gè)具有特定頻率ωr的參考信號(hào)作為載波（使用函數(shù)發(fā)生器或其他方法），并用此信號(hào)對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使目標(biāo)信號(hào)具有相同的頻率。我們可以將調(diào)制過的信號(hào)表示為Vsig sin(ωrt+Θsig)，其中Vsig為信號(hào)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(hào)，產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部本振信號(hào)Vloc sin(ωLt+Θloc)。將這兩個(gè)信號(hào)相乘，我們將得到兩個(gè)頻率分別為(ωr+ωL)和(ωr-ωL)的交流信號(hào)：
由于ωr=ωL，此信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后，我們會(huì)得到一個(gè)直流信號(hào)：
若要穩(wěn)定獲得信號(hào)，
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(dòng)態(tài)鎖定外部參考信號(hào)，確保內(nèi)部信號(hào)的頻率與外部參考信號(hào)的頻率相同（即ωr=ωL），并維持固定的Θsig-Θloc相位差。
一個(gè)典型的鎖相放大器工作原理
鎖相放大器經(jīng)過相敏檢波后的低通濾波器的參數(shù)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(hào)，同時(shí)也決定著進(jìn)入到解調(diào)結(jié)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(diào)整的，帶寬愈小，輸出噪聲愈小，解調(diào)信噪比越高，但是，若是濾波帶寬調(diào)整得過低，可能會(huì)使解調(diào)信號(hào)的高頻部分衰減，造成信號(hào)失真。在早期的模擬電子鎖相電路中，低通濾波器的帶寬調(diào)整是由電容的積分時(shí)間來決定的?，F(xiàn)代的鎖相放大器多是由數(shù)字電路（濾波器）來實(shí)現(xiàn)，用積分時(shí)間這個(gè)指標(biāo)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(shù)中的應(yīng)用
昕虹光電深耕于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，簡(jiǎn)稱 TDLAS）技術(shù) ，是一種利用分子“選頻"吸收形成吸收光譜的原理，實(shí)現(xiàn)高分辨率的分子濃度定量分析技術(shù)。TDLAS通常與波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）結(jié)合應(yīng)用，通過選擇調(diào)制頻率來抑制激光噪聲和光電探測(cè)器電子噪聲，再利用相敏鎖相檢測(cè)技術(shù)（即鎖相放大），得到與被測(cè)氣體濃度成正比的諧波信號(hào)，從而有效提高測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度。
面對(duì)TDLAS系統(tǒng)中對(duì)鎖向放大氣的需求，昕虹光電HPLIA微型雙通道調(diào)制解調(diào)鎖相放大器以當(dāng)今FPGA +ARM單片機(jī)的業(yè)界流行配置而設(shè)計(jì)。浮點(diǎn)數(shù)數(shù)字信號(hào)處理的計(jì)算任務(wù)由FPGA硬件加速完成，而結(jié)果數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)交互由ARM單片機(jī)處理。為了提高性價(jià)比，系統(tǒng)以獨(dú)立雙輸入輸出通道為原則設(shè)計(jì)，從而在單板上實(shí)現(xiàn)雙路鎖相通道的應(yīng)用。比如，一路通道可用作測(cè)量信號(hào)，而另一路可用作參考信號(hào)；亦或一路做一次諧波解調(diào)，而另一路做二次諧波解調(diào)。考慮用戶使用上的便利性，HPLIA集成了信號(hào)發(fā)生功能，同時(shí)作為調(diào)制信號(hào)（上文中載波）和內(nèi)部參考信號(hào)，無需鎖相環(huán)便可以保證兩路信號(hào)同頻同相。