鎖相放大器是一種用于測量動態(tài)信號的電子儀器。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中測出某一頻率的信號的相位和幅值。它之所以具備這樣的能力是運用了正交性原理，將非選定頻率的信號（即噪聲）去除而選定頻率的信息得以保留。因為具有很強的抗噪聲能力，鎖相放大器被廣泛應(yīng)用于各種高精測量系統(tǒng)中，比如MEMS研究。

　　基本原理

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

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

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

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

　　前置放大電路

　　紅外信號檢測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算放大器，具有共模抑制能力和電源噪聲抑制能力強以及高穩(wěn)定、低失調(diào)、超低噪聲等特點。紅外傳感器輸出的微弱電信號經(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。為防止因噪聲過大而使后級PSD過載這里其放大倍數(shù)增益設(shè)計為可調(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，作為參考信號的輸入。其電路如圖（3） 輸出高電平時間tH和低電平時間tL的計算方法如下： tH= 0.693（RA+ RB）C

　　圖（3）參考信號產(chǎn)生電路

　　經(jīng)計算這里選取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PD、VCO、緩沖放大器、輸入信號放大與整形電路、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，其工作頻率達1MHz，內(nèi)部VCO 產(chǎn)生50% 占空比的方波。鎖相環(huán)CD4046的一個重要功能是：內(nèi)部壓迫、控振蕩器的輸出信號從第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)頻率信號和相位的比較。當(dāng)兩者頻率相同時同，壓控振蕩器的頻率能自動調(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)式相敏檢測器。其電路組成如圖（5）。參考方波信號有CD4046產(chǎn)生，待測信號有引腳1輸入，參考方波信號有鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)，經(jīng)相關(guān)運算后有13引腳輸出。

　　低通濾波電路

　　相敏檢測輸出經(jīng)低通濾波器得到所需直流信號，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）。相敏檢測的輸出信號經(jīng)U1A實現(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)定的直流信號經(jīng)可調(diào)增益放大器U2A做進一步后續(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

　　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），動態(tài)范圍大，測量靈敏度高能將幾十微伏的微弱信號進行精確提取放大。此電路針對特定頻率的傳感器信號（即輸出60HZ）進行設(shè)計，故其頻率特性不滿足的傳感器信號無效。因為IC鎖相環(huán)CD4046具有自動捕捉輸入信號頻率的功能，故為改善其測量使用范圍可將CD4046的輸入端接至前置放大器的輸出端使其自動跟蹤所測信號頻率，實現(xiàn)輸入可調(diào)放大，此時。在這種情況下當(dāng)噪聲比較嚴(yán)重時其輸出性能可能會有所下降。