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硬件开发者之路之——基于锁相放大器的小信号检测技术分析

已有 7936 次阅读| 2017-11-12 01:57 |个人分类:硬件开发之微弱信号检测|系统分类:硬件设计

在微弱信号检测领域，锁相放大器是非常重要的一项术，目前的工作内容和小信号检测方面相关，其中涉及到了锁相放大的知识，刚开始还和锁相环搞混了。于是翻了翻资料，现在开篇就相关知识予以梳理。

一、相关检测技术原理

关于信号检测技术的理论起点是在数学的统计学上，看官莫慌，我不会讲数学的，因为我也不懂，o(╯□╰)o。简言之就是基于对有用的信号和无用的噪声的统计分析而来的（这里推荐一本《数学之美》，里面讲的是统计学在信息学里的魅力应用，虽然没怎么懂，但是确实觉得有意思）。就像我们听的音乐和噪音，乐音之所以好听是因为音乐是有“节奏”的，就是有规律可循，在时间（时域）上有相关性，而噪音则是乱七八糟的。这里用个简单的相关函数说明下：有用的信号（乐音）f(t), 没有用的信号（噪声）x(t)。所谓的相关函数很简单的说就是表示多个东西之间有多少关系的一个函数。就像你和你周围的所有人的关系亲疏远近都能用个函数来表示下而已。这里又分为自相关和互相关函数，很好理解嘛，自相关就是自己和自己，那你会说自己和自己就是绝对相关啊，当然，函数是在时域上定义的，因此，今天的你和未来的你相关性可不一定。定义自相关函数

用积分也很好理解，因为你会随着时间变化，这种关系是累加的。互相关函数就可以定义为 , 其中两路信号x(t)=s1(t)+n(t) , y(t)=s2(t)+v(t)。在这里，信号和噪声之间以及噪声和噪声之间的相关性可以忽略。因此他们互相之间的相关函数为0，最后得到。如此便得到了两个信号的相关性结果，最后如果知道其中一个函数的信息，就可以得到另一个未知信号的信息了，基本原理就如此。自相关函数因为容易丢失信息，所以在应用中采用互相关函数比较多。以上就是信号相关检测的基本原理。

二、相敏检测器PSD

1、乘法器型相敏检测器

所谓的相敏检测就是鉴相，即对比检测出待测信号和参考信号的相位差。以待测信号和参考信号都为方波为例：

这是方波信号的傅里叶展开形式，乘法器型相敏检测器其实就是一个乘法器，但是对于包含多次谐波的方波，谐波相乘计算起来相当麻烦，可以采取图解分析法。

可以看出相乘输出的信号值与占空比成线性关系，即相位差线性的影响信号值的大小。

可以看出有很好的线性关系，这样对小信号的检测精度更高。

2、电子开关型相敏检测器

由上面分析可以看出采用方波为参考信号以及对待测信号进行调制处理会得到更好的处理效果，但是对于模拟乘法器式的PSD来讲，因为器件的非线性以及对参考方波的幅度精度控制要求上，比较难实现。因此可以采用电子开关的方式来产生方波，这种方式在目前的PSD设计中应用较多，没有非线性问题，稳定性高，成本低，速度快。

后续改进型的开关型设计有运放式电子开关