日本株式会社NF回路设计-什么是锁相放大器？

日期：2024-09-06 22:12

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摘要：日本株式会社NF回路设计-什么是锁相放大器？

锁相放大器是通过组合使用PSD和LPF的方式，来测量交流信号的振幅和相位的仪器。输入交流的“参考信号”，并且只测量与其相同频率的信号。尽管测量信号中掺杂了交流噪声，还是可以通过去除噪声且只测量目标频率的信号。

什么是 "DR" ?

DR是用来表现锁相放大器性能的重要参数。锁相放大器的降噪能力是由DR（动态范围）规定的。NF的锁相放大器DR规格在100 dB以上。换而言之，当1 Vp-p的噪声信号重叠在10 µV的交流信号上时，也可以完成测量。从而知晓，锁相放大器通常都具有极高的降噪能力。

在一般的测试环境中，存在mV程度的电压和µA程度的电流残余噪声信号。所以想要测量被背景的噪声信号所覆盖住的振幅信号，是十分困难的。但是锁相放大器的降噪能力优良，就算是极其微小的信号也可以测量。

以下是NF锁相放大器测量信号的*小量程：

*"f"为femto = 10-15

能够测量到测量信号和参考信号间的相位差。且相位测量的*小分辨率为0.001°。
可以测量2个信号之间的相位差，就意味着可以测量信号之间十分微小的时间差。

用于锁相放大器中的PSD不但能够测量到信号，还可以测量到噪声。锁相放大器的操作与BPF相同，通过设定BPF（带通滤波器）的频段来测量噪声。

测量信号和参考信号在输入后转换成数字信号，PSD和LPF的处理也基本上是采用数字运算的。
数字运算有以下性能及功能上的优势：

“时间常数”的*小设定值是非常短的。

十分适合需要用于高速图像处理显微镜（如AFM）的信号处理。

双PSD可以在不调整相位的前提下，同时测量信号的振幅和相位。

一般的测量往往通过测量参考信号的频率，双频率测量功能则是通过叠加参考信号频率，再同时测量其他频率。

双频率测量示例

在“差分测量”模式下，使用通用锁相放大器的话一般需要2台，但如果使用具有双频率测量功能的锁相放大器，只需要一台即可完成测量。

输出数据可以通过以下方式获取并显示。

通过增加时间常数设定, 锁相放大器可以测量到掺杂了噪音的信号。增加时间常数会延长测量时间，并且仅使用锁相放大器是无法将其缩短的。
但是，在锁相放大器的前端连接其他的滤波器或前置放大器，可以改善输入信号的信噪比，从而实现测量时间的缩短。

NF提供一系列前置放大器，可以与具有不同截止频率的滤波器和前置放大器搭配使用。锁相放大器与周边产品的组合也十分容易，例如，为锁相放大器的前置放大器装配电源等。搭配使用“前置放大器+锁相放大器”或“滤波器+锁相放大器”，性能则有望进一步提升。

型号	品名	概要	详细
LI 5660	宽频数字锁相放大器	5 Hz ～ 11 MHz, 双相位，双频
LI 5655	宽频数字锁相放大器	5 Hz ～ 3 MHz, 双相位，双频
LI 5650	数字锁相放大器	0.1 mHz to 250 kHz, 双相位，双频
LI 5645	数字锁相放大器	0.1 mHz to 250 kHz, 双相位，单频
LI 5640	数字锁相放大器 (多功能型)	1 mHz ～ 100 kHz, 2 nV / F.S 相位稳定度: 0.01°/°C, 增益稳定度: ±100 ppm/°C *小时间常数: 10 µs, 内置振荡器	停止销售的产品
LI 5630	数字锁相放大器 (将LI 5640的功能浓缩、简化了的经济型)		停止销售的产品
5610B	2相位锁相放大器	0.5 Hz ～ 200 kHz, 100 nV / F.S 2相位, 自动设定功能, 标准内置振荡器
LI-575	同步跟踪锁相放大器	0.5 Hz ～ 200 kHz, 100 nV / F.S 配备噪声测量模式	停止销售的产品
5571	微小信号测量仪频率放大器	可将微小信号测量仪的频率增大到*高 5 MHz ・输入频率: 10 kHz ～ 5 MHz ・输出频率: 2 kHz / 20 kHz	停止销售的产品