鎖相放大器在TDLAS技術(shù)中的應(yīng)用

 

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)？最直觀的線性放大器能夠?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。