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鎖相放大器在TDLAS技術(shù)中的應(yīng)用

更新時(shí)間:2022-08-25      點(diǎn)擊次數(shù):956
 隨著科技的進(jìn)步,人們想要了解的現(xiàn)象越來(lái)越精細(xì)、想測(cè)量的信號(hào)也越來(lái)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(guò)數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí),我們?nèi)匀豢梢詮臉O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(wú)章的噪聲中提取我們所需的信號(hào)?最直觀(guān)的線(xiàn)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(wèn)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(lái)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(guò)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(guò)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),Θsig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(lái)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。

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