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

在本例中，我们使用了第二台 Moku:Lab 的波形发生器来模拟 LIA 的信号和外部参考信号。信号为 50 kHz 1 mVpp 正弦波，参考为 50 kHz 500 mVpp 方波。（图 1）信号和参考信号基于同一时钟（锁相）生成，彼此具有任意的相位关系。这是真实实验设置中的典型情况。不同的电子元件具有不同的仪器响应函数和延迟，从而导致信号和参考信号之间存在相位差。信号连接到 Moku:Lab LIA 的输入 1，参考信号连接到 Moku:Lab 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

低通滤波器的带宽显著影响测量的信噪比 (SNR)。通常，较窄的带宽能够提供更好的噪声抑制效果。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。在本次测量中，我们期望波形发生器输出相对稳定的正弦波。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

设置好本振后，我们启用了 X/Y 输出的探测点。然后，我们将输出增益提高到 +60 dB 左右，使信号范围达到几百 mV。（图 4）这与其他一些锁相放大器的灵敏度设置类似，这使得 Moku:Lab 的 LIA 输出 DAC 能够完全统一其分辨率和范围。为了避免饱和，X 和 Y 的输出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，并调整了矩形到极坐标的转换范围。选择能够容纳信号且不至于饱和的最小范围可实现最佳性能。基于 X/Y 模式，我们估算输出幅度约为 250 mV。我们反复调整了三个转换范围设置，最终 7.5 mVpp 的转换范围提供了最佳效果。（图 6）

图6： 基于 R 输出优化极性到矩形的转换范围

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