利用锁相放大电路提升低级别测量精度

"锁相放大电路（英文版）——一种用于交流小信号采集的技术，能够从噪声背景中提取微弱信号，适用于测量非常小的电阻、在强光背景下的光吸收或反射，以及高噪声环境中的应变等特性。通过调制信号频率，可以远离低频噪声，提高信噪比，从而探测更微弱的信号。例如，用几千赫兹的频率调制光源，可以测量原本被噪声淹没的反射光。" 锁相放大电路是一种精密的检测技术，它利用同步检测器来增强低电平信号的检测能力。在许多系统中，当频率接近零时，噪声会显著增加。比如，运算放大器存在1/f噪声，而光测量则受到环境光照变化产生的噪声影响。为了解决这个问题，我们可以将测量移到低频噪声之外的频率范围，这样可以提高信噪比，使能探测到更微弱的信号。 如图1所示，通过调制信号（例如以几千赫兹的频率开关信号），可以使信号远离噪声源，从而使得原本低于噪声地板的信号得以恢复。这种调制方法可以有效地将感兴趣的信号从噪声中分离出来，对于在高噪声环境中进行精确测量尤其有用。 调制激励信号的方法有多种。最简单的方法是反复开/关信号。除此之外，还可以采用正弦波调制、脉冲宽度调制（PWM）或频率调制（FM）等技术。每种调制方式都有其特定的应用场景和优势。例如，正弦波调制适合于保持信号的连续性，而脉冲宽度调制则可能在功率控制和数字信号处理中更为适用。 锁相放大器的核心是相位检波器，它比较输入信号与参考信号的相位，输出的电压与两信号之间的相位差成比例。接着，低通滤波器会滤除高频成分，只保留与参考信号频率同步的低频分量，从而提取出被噪声掩盖的信号。 在实际应用中，锁相放大器广泛应用于物理、电子工程、生物医学等领域。例如，在量子力学实验中，用于检测微弱的光电流；在材料科学中，用于测量微小的应变变化；在光学测量中，用于在高背景光下测量微弱的光强度变化。 锁相放大电路通过调制信号并利用相位信息来提升测量精度，特别适合于需要从噪声中提取微弱信号的场合。通过选择合适的调制技术和配合低通滤波，可以显著提高信噪比，实现对各种微弱信号的准确检测。