鎖相放大器是一種用于測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的電子儀器。它的主要組成部分有振蕩器，混頻器和低通濾波器。它的最基本，也是最常用的功能是從被噪聲淹沒的信號(hào)中測(cè)出某一頻率的信號(hào)的相位和幅值。它之所以具備這樣的能力是運(yùn)用了正交性原理，將非選定頻率的信號(hào)（即噪聲）去除而選定頻率的信息得以保留。因?yàn)榫哂泻軓?qiáng)的抗噪聲能力，鎖相放大器被廣泛應(yīng)用于各種高精測(cè)量系統(tǒng)中，比如MEMS研究。

　　基本原理

　　鎖相放大器實(shí)際上是一個(gè)模擬的傅立1Hz和1.1Hz兩正弦信號(hào)相乘的結(jié)果葉變換器，鎖相放大器的輸出是一個(gè)直流電壓，正比于輸入信號(hào)中某一特定頻率（參數(shù)輸入頻率）的信號(hào)幅值。而輸入信號(hào)中的其他頻率成分將不能對(duì)輸出電壓構(gòu)成任何貢獻(xiàn)。

　　兩個(gè)正弦信號(hào)，頻率都為1Hz，0度相位差，用乘法器相乘得到的結(jié)果是一個(gè)有直流偏量的正弦信號(hào)。

　　如果是一個(gè)1Hz和一個(gè)1.1Hz的信號(hào)相乘，用乘法器相乘得到的結(jié)果是輪廓為正弦的調(diào)制信號(hào)，直流偏量為0。只有與參考信號(hào)頻率完全一致的信號(hào)才能在乘法器輸出端得到直流偏量，其他信號(hào)在輸出端都是交流信號(hào)。

　　如果在乘法器的輸出端加一個(gè)低通濾波器，那么所有的交流信號(hào)分量全部被濾掉，剩下的直流分量就只是正比于輸入信號(hào)中的特定頻率的信號(hào)分量的幅值

　　前置放大電路

　　紅外信號(hào)檢測(cè)的前置低噪聲放大濾波電路如圖（2）。OPA27是一種低噪聲精密集成運(yùn)算放大器，具有共模抑制能力和電源噪聲抑制能力強(qiáng)以及高穩(wěn)定、低失調(diào)、超低噪聲等特點(diǎn)。紅外傳感器輸出的微弱電信號(hào)經(jīng)耦合電容C（濾除直流電壓）加之OPA27的同相輸入端經(jīng)低噪聲放大及濾波后輸出。為達(dá)到高性能電阻應(yīng)選用金屬膜電阻器，電容應(yīng)選用云母電容器。

　　其截止頻率約為170HZ。為防止因噪聲過(guò)大而使后級(jí)PSD過(guò)載這里其放大倍數(shù)增益設(shè)計(jì)為可調(diào)11—100倍。

　　圖（2）前置低噪聲濾波放大電路

　　參考頻率產(chǎn)生電路

　　由于紅外傳感器輸出為頻率固定的60HZ的方波，可選用555時(shí)基電路構(gòu)成方波發(fā)生器產(chǎn)生頻率為方波，作為參考信號(hào)的輸入。其電路如圖（3） 輸出高電平時(shí)間tH和低電平時(shí)間tL的計(jì)算方法如下： tH= 0.693（RA+ RB）C

　　圖（3）參考信號(hào)產(chǎn)生電路

　　經(jīng)計(jì)算這里選取C=1uF，RA=0.1K，RB=12K.其輸出頻率為 f=1/（0.693*（RA+2RB）*C）=60HZ

　　鎖相電路

　　相環(huán)CD4046為數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）芯片，內(nèi)有兩個(gè)PD、VCO、緩沖放大器、輸入信號(hào)放大與整形電路、內(nèi)部穩(wěn)壓器等。它具有電源電壓范圍寬、功耗低、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，其工作頻率達(dá)1MHz，內(nèi)部VCO 產(chǎn)生50% 占空比的方波。鎖相環(huán)CD4046的一個(gè)重要功能是：內(nèi)部壓迫、控振蕩器的輸出信號(hào)從第4腳輸出后引至第3腳輸入，與從第14腳輸入的外部基準(zhǔn)頻率信號(hào)和相位的比較。當(dāng)兩者頻率相同時(shí)同，壓控振蕩器的頻率能自動(dòng)調(diào)整，直到與基準(zhǔn)頻率相同。

　 相敏檢波器

　　采用AD630組成電子開關(guān)式相敏檢測(cè)器。其電路組成如圖（5）。參考方波信號(hào)有CD4046產(chǎn)生，待測(cè)信號(hào)有引腳1輸入，參考方波信號(hào)有鎖相環(huán)CD4046實(shí)現(xiàn)，經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后有13引腳輸出。

　　低通濾波電路

　　相敏檢測(cè)輸出經(jīng)低通濾波器得到所需直流信號(hào)，再經(jīng)直流放大調(diào)整是輸出滿足系統(tǒng)增益要求。其電路如圖（6）。相敏檢測(cè)的輸出信號(hào)經(jīng)U1A實(shí)現(xiàn)低通窄帶濾波及放大，濾除和頻交流分量得到直流輸出，其直流放大倍數(shù)為11，截止頻率

　　而后經(jīng)電容C2平滑使其輸出穩(wěn)定的直流信號(hào)經(jīng)可調(diào)增益放大器U2A做進(jìn)一步后續(xù)處理。其總的增益調(diào)節(jié)范圍為11~220。

　　圖（4）參考信號(hào)鎖定輸出電路

　　圖（5）相敏檢波電路

　　圖（6）低通濾波及直流放大電路

　　總體性能估計(jì)

　　系統(tǒng)總體電路原理圖見附錄。此電路做到其輸出增益可調(diào)（1100—20000倍放大），動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)量靈敏度高能將幾十微伏的微弱信號(hào)進(jìn)行精確提取放大。此電路針對(duì)特定頻率的傳感器信號(hào)（即輸出60HZ）進(jìn)行設(shè)計(jì)，故其頻率特性不滿足的傳感器信號(hào)無(wú)效。因?yàn)?a target="_blank">IC鎖相環(huán)CD4046具有自動(dòng)捕捉輸入信號(hào)頻率的功能，故為改善其測(cè)量使用范圍可將CD4046的輸入端接至前置放大器的輸出端使其自動(dòng)跟蹤所測(cè)信號(hào)頻率，實(shí)現(xiàn)輸入可調(diào)放大，此時(shí)。在這種情況下當(dāng)噪聲比較嚴(yán)重時(shí)其輸出性能可能會(huì)有所下降。