锁相放大器原理与应用

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。

那么，实际的锁相放大器又是什么样的呢？

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（Phase Shifter ）,

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」。

最后，让我们来说明锁相放大器的一个重要参数——“动态保留”。

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。

如何测量被噪声埋没了的信号？

在测量各种物理量（温度、加速度等）时，用传感器将其变换成为电信号，然后输入到分析仪器（测量仪

器）中去。但是，仅想获得必要的信号是很难做到的。通常是连不必要的信号（也就是噪声）也一起被测

量了。在各种情况下，噪声都有可能混进来。

噪声并不仅限于电信号，也有包含在被测量的物理量中的情况。另外，根据不同场合，也出现噪声强度远

远高出所需要的目的信号电平的情况。想要测量的信号越微弱，那么噪声就相对地越大。

在这里，让我们来看一下用交流电压表来测量不同电平的1kHz 的正弦波信号的结果。

在信号上叠加了0.1Vmrs 的白噪声。“毫伏计”是一般的交流电压表，“锁相放大器”是一种专

门测量微小信号的（特殊的）交流电压表。

信号电平

（正弦波信

号） 波 形 （叠加了噪声的波形） 毫伏计的 测量结果 锁相放大器的 测量结果

1Vrms 1Vrms 0.999Vrms

100mVrms 140mVrms 99mVrms

1mVrms 105mVrms 1.01mVrms

0.1mVrms 105mVrms 0.107mVrms

毫伏计也同时测量噪声。即使用数字万用表（DMM ）来测量，也会得到与毫伏计相同的测量结果。

但锁相放大器，能在比目的信号（1kHz 正弦波）强1000倍的噪声中把目的信号几乎准确无误地检测出来。

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——

•

• 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。

为什么「锁相放大器」有很强的抗噪声能

容易受到噪声影响的原因，是因为很好地

性质上的差别。

我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质

能力。

力？ 用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声

锁相放大器不利在在这里，，抑制

■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。

下面，让我们来看一看正弦波的性质！

■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 。

那么，在正弦波上叠加了白噪声以后会怎么样呢？

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 。

但是，这样的带通滤波器也是有一个限度的。

•

正弦波的性质；

（点击“BACK ”, 可返回到各个项目。）

■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。

带通滤波器 锁相放大器

Q （中心频率/通带宽度） 100左右 (10Hz@1kHz) ～107 左右 (0.1mHz@1kHz)

中心频率 固定（不容易改变） 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。