鎖相放大器工作原理及其在TDLAS的應用

隨著科技的進步，人們(men) 想要了解的現象越來越精細、想測量的信號也越來越微弱。多虧(kui) 有了鎖相放大器（phase lock-in amplifier），如今即使噪聲比信號強過數個(ge) 數量級，我們(men) 仍然可以從(cong) 極其嘈雜的環境中提取具有已知載波的調製信號。

試想我們(men) 應該如何從(cong) 雜亂(luan) 無章的噪聲中提取我們(men) 所需的信號？最直觀的線性放大器能夠將很小的信號放大，卻同時也將噪聲放大。如果再加上一個(ge) 針對信號頻率的濾波器濾除其他頻率的噪聲，看似可以解決(jue) 不少問題，然而若是濾波器帶寬太大，信號頻率附近的噪聲還是會(hui) 一起輸出，甚至掩蓋信號，想要實現極窄的濾波器帶寬又是另一個(ge) 十分複雜的技術難題。

鎖相放大器應用了相敏檢測（phase-sensitive detection, PSD）的技術，可以測量非常微弱的連續周期性信號。相對於(yu) 噪聲，連續周期性信號具有固定的頻率和相位，相敏檢測技術針對這個(ge) 特性，利用具有同樣頻率的參考信號來抽取目標的周期性信號，便可以大大降低噪聲的影響。

在實際操作中，我們(men) 需要產(chan) 生一個(ge) 具有特定頻率ω_r的參考信號作為(wei) 載波（使用函數發生器或其他方法），並用此信號對目標信號進行調製，使目標信號具有相同的頻率。我們(men) 可以將調製過的信號表示為(wei) V_sig sin(ω_rt+Θ_sig)，其中V_sig為(wei) 信號強度、Θ_sig為(wei) 相位。同時，鎖相放大器根據輸入的參考信號，產(chan) 生一個(ge) 內(nei) 部本振信號V_loc sin(ω_Lt+Θ_loc)。將這兩(liang) 個(ge) 信號相乘，我們(men) 將得到兩(liang) 個(ge) 頻率分別為(wei) (ω_r+ω_L)和(ω_r-ω_L)的交流信號：

由於(yu) ω_r=ω_L，此信號經過低通濾波器後，我們(men) 會(hui) 得到一個(ge) 直流信號：

若要穩定獲得信號，和 Θ_loc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（phase-lock loop）來動態鎖定外部參考信號，確保內(nei) 部信號的頻率與(yu) 外部參考信號的頻率相同（即ω_r=ω_L），並維持固定的Θ_sig-Θ_loc相位差。

一個(ge) 典型的鎖相放大器工作原理

鎖相放大器經過相敏檢波後的低通濾波器的參數選擇也很重要。低通濾波的作用不僅(jin) 僅(jin) 是過濾掉上述的合頻信號，同時也決(jue) 定著進入到解調結果輸出的噪聲帶寬。因此，一般的鎖相放大器的低通濾波器帶寬是可以調整的，帶寬愈小，輸出噪聲愈小，解調信噪比越高，但是，若是濾波帶寬調整得過低，可能會(hui) 使解調信號的高頻部分衰減，造成信號失真。在早期的模擬電子鎖相電路中，低通濾波器的帶寬調整是由電容的積分時間來決(jue) 定的。現代的鎖相放大器多是由數字電路（濾波器）來實現，用積分時間這個(ge) 指標來表示濾波器帶寬的傳(chuan) 統，仍然保留至今。

鎖相放大器在TDLAS技術中的應用

昕虹光電深耕於(yu) 可調諧半導體(ti) 激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，簡稱 TDLAS）技術 ，是一種利用分子“選頻"吸收形成吸收光譜的原理，實現高分辨率的分子濃度定量分析技術。TDLAS通常與(yu) 波長調製光譜技術（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）結合應用，通過選擇調製頻率來抑製激光噪聲和光電探測器電子噪聲，再利用相敏鎖相檢測技術（即鎖相放大），得到與(yu) 被測氣體(ti) 濃度成正比的諧波信號，從(cong) 而有效提高測量係統的靈敏度。

麵對TDLAS係統中對鎖向放大氣的需求，昕虹光電HPLIA微型雙通道調製解調鎖相放大器以當今FPGA +ARM單片機的業(ye) 界流行配置而設計。浮點數數字信號處理的計算任務由FPGA硬件加速完成，而結果數據采集和上位機交互由ARM單片機處理。為(wei) 了提高性價(jia) 比，係統以獨立雙輸入輸出通道為(wei) 原則設計，從(cong) 而在單板上實現雙路鎖相通道的應用。比如，一路通道可用作測量信號，而另一路可用作參考信號；亦或一路做一次諧波解調，而另一路做二次諧波解調。考慮用戶使用上的便利性，HPLIA集成了信號發生功能，同時作為(wei) 調製信號（上文中載波）和內(nei) 部參考信號，無需鎖相環便可以保證兩(liang) 路信號同頻同相。