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1962年美國(guó)EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身) 的*臺(tái)鎖相放大器(Lock-in Amplifier,簡(jiǎn)稱LIA)的發(fā)明,使微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)得到標(biāo)志性的突破,*地推動(dòng)了基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展。目前,微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和儀器的不斷進(jìn)步,已經(jīng)在很多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用,未來科學(xué)研究不僅對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)提出更高的要求,同時(shí)新的科學(xué)技術(shù)發(fā)展反過來促進(jìn)了微弱信號(hào)檢測(cè)新原理和新方法的誕生。
早期的LIA是由模擬電路實(shí)現(xiàn)的,隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了模擬與數(shù)字混合的LIA,這種LIA只是在信號(hào)輸入通道,參考信號(hào)通道和輸出通道采用了數(shù)字濾波器來抑制噪聲,或者在模擬鎖相放大器(簡(jiǎn)稱ALIA)的基礎(chǔ)上多了一些模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)和各種通用數(shù)字接口功能,可以實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)控制、監(jiān)視和顯示等輔助功能,但其核心相敏檢波器(PSD)或解調(diào)器仍是采用模擬電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的,本質(zhì)上也是ALIA。直到相敏檢波器或解調(diào)器用數(shù)字信號(hào)處理的方式實(shí)現(xiàn)后,就出現(xiàn)了數(shù)字鎖相放大器(簡(jiǎn)稱DLIA),DLIA比ALIA有許多突出的優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞,成為現(xiàn)在微弱信號(hào)檢測(cè)研究的熱點(diǎn),但是在一些特殊的場(chǎng)合中,ALIA仍然發(fā)揮著DLIA不可替代的作用。
鎖相放大器實(shí)際上是一個(gè)模擬的傅立葉變換器,鎖相放大器的輸出是一個(gè)直流電壓,正比于是輸入信號(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,有90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**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。
DA 轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路構(gòu)成無太大差異,一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運(yùn)算等進(jìn)行分類。大多數(shù)DA轉(zhuǎn)換器由電阻陣列和n個(gè)電流開關(guān)(或電壓開關(guān))構(gòu)成。按數(shù)字輸入值切換開關(guān),產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電壓)。此外,也有為了改善精度而把恒流源放入器件內(nèi)部的。一般說來,由于電流開關(guān)的切換誤差小,大多采用電流開關(guān)型電路,電流開關(guān)型電路如果直接輸出生成的電流,則為電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器。此外,電壓開關(guān)型電路為直接輸出電壓型DA轉(zhuǎn)換器。
電壓輸出型DA轉(zhuǎn)換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的,但一般采用內(nèi)置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負(fù)載,由于無輸出放大器部分的延遲,故常作為高速DA轉(zhuǎn)換器使用。
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