锁相放大器配置指南

锁定放大器 (LIA) 是一种广泛使用的仪器，可以提取被噪声淹没的已知频率信号。 LIA 将信号与本地振荡器 (LO) 混合，并使用低通滤波器来抑制不需要频率的噪声。 这使得 LIA 不仅可以检测振幅，还可以检测与 LO 相关的信号相位。 在本文档中，我们将向您介绍如何配置 Moku:Lab 的 LIA，以使用外部参考检测弱 50 kHz 信号的幅度和相位。

▍信号和参考源

在这个例子中，我们使用了第二个 Moku:Lab 的波形发生器来模拟 LIA 的信号和外部参考。 使用 50 kHz 1 mVpp 正弦波作为信号，使用 50 kHz 500 mVpp 方波作为参考。 （图 1）信号和参考是基于同一时钟（锁相）生成的，彼此之间具有任意相位关系。 这是真实实验设置的典型情况。 不同的电子元件具有不同的仪器响应函数和延迟，这导致信号和参考之间的相位差。 信号连接到 Moku:Lab 的 LIA 的输入 1，参考连接到 Moku:Lab 的 LIA 的输入 2。

图1： 用于信号和参考生成的波形发生器设置

▍配置 LIA 的本地振荡器 (LO)

LIA 提取信号相对于 LO 的幅度和相位。 确保 LIA 在解调过程中使用正确的 LO 至关重要。 在此示例中，我们使用 Moku:Lab 的 LIA 内置锁相环 (PLL) 来跟踪外部参考源的相位和频率，并生成两个锁相正交正弦 LO 用于双相解调。 首先，我们将 LIA 的 LO 配置为外部 (PLL) 模式，并输出过滤信号以进行同步 X/Y 或 R/θ 检测。 （图二）

图2： Moku:Lab 的 LIA 的 LO 和辅助输出设置

图3： 未失真的正弦 LO（蓝色迹线）相位被锁相到参考输入（红色迹线）

▍配置低通滤波器

低通滤波器的带宽会显着影响测量的 SNR。 通常，较窄的带宽提供更好的噪声抑制。 然而，窄带宽也会抑制信号本身的任何高频分量，从而降低测量的时间分辨率。 在此测量中，我们期望波形发生器输出相对稳定的正弦曲线。 我们将滤波器带宽设置为 200 Hz，斜率为 12 dB/倍频程。

▍配置 LIA 的输出增益

设置 LO 后，我们启用 X/Y 输出的探测点。 然后，我们将输出增益增加到大约 +60 dB，使信号达到几百 mV 的范围。 （图 4）这类似于其他一些锁定放大器的灵敏度设置，这使得 Moku:Lab 的 LIA 输出 DAC 能够完全统一其分辨率和范围。 为避免饱和，X 的总和(2) 和Y.(2) 应保持在 1 V 以下。

图4： Moku:Lab 的 LIA 输出增益设置

▍调整 PLL 的相移

正如我们之前简要提到的，参考信号和实际信号可能有明显的相位差。 如果测量绝对相移，重要的是对齐 LO 和信号的相位。 为了对齐相位，调整 PLL 的相移以使 Y 分量尽可能接近零。 （图5）

图5： PLL 的相移调整为 44.630 度以使 Y 信号为零

▍调整极坐标到矩形的转换范围

最后，我们将输出从 X/Y 模式更改为 R/θ 模式，并调整了直极到极坐标的转换范围。 通过选择可以容纳您的信号而不会饱和的最小范围来实现最佳性能。 基于 X/Y 模式，我们估计输出幅度约为 250 mV。 我们绕过这些转换范围设置，7.5 mVpp 提供了最佳结果。 (图6)

图6： 基于 R 输出优化极性到矩形的转换范围