数字锁相放大器 帮助科学家和工程师对极小的交流 (AC) 信号进行相敏测量，这些信号有时隐藏在本底噪声之下（图 1）。通过为锁定放大器提供参考信号，研究人员可以从相同频率区域的感兴趣信号中提取相位和幅度信息，即使在极其嘈杂的环境中也是如此。
图 1：锁定放大器的简化框图
传统的锁相放大器主要使用模拟电路来混合、过滤和解调信号。然而，数字锁定放大器使用更现代的信号处理方法。数字锁定放大器将输入信号数字化，算法执行大部分信号处理。在这种情况下，参考信号也是数字的，从而实现完美的解调。要了解有关使用锁相放大器测量相位的更多信息，请阅读我们的电子书《精确测量相位：相位测量方法指南》。
为什么研究人员使用锁相放大器？
研究人员利用物理、光学、电子和材料科学等一系列领域的锁定检测来提取和分析调制信号，进而从中获取相位和幅度信息。数字锁定放大器是许多尖端研究实验室的关键组件，这些实验室执行激光频率稳定、超快光谱、射频和微波测试、暗物质检测和其他应用。
模拟与数字锁定放大器：它们如何比较？
精确度
虽然模拟锁定放大器可以通过精心调谐的组件提供高精度，但它们对漂移、温度变化和环境噪声更加敏感。
由于数字锁定放大器不太容易受到噪声的影响，因此与模拟组件相比，它们本身给系统带来的损耗要小得多。此外， 数字信号处理 (DSP) 允许用户轻松地与锁定放大器一起实现数字滤波器。您可以添加数字无限脉冲响应 (IIR) 滤波器或有限脉冲响应 (FIR) 滤波器（图 2），而无需修改任何模拟组件，从而更好地隔离感兴趣的信号。
图 2：可配置带通 IIR 滤波器的数字实现
频率范围和性能
模拟组件往往对外部干扰更敏感，而数字信号则可实现几乎无噪声的环境。数字锁定放大器还可以覆盖广泛的频率，因为它们不受模拟组件对频率的依赖性的限制。这意味着数字电路可以处理更广泛的输入频率，而不会像模拟电路那样降低性能。数字锁定放大器本质上还通过灵活、可调节的 DSP 算法提供更高的信号处理分辨率和精度。
高度灵活
模拟锁定放大器是一成不变的——改变参数需要调整模拟元件。但数字锁定放大器允许您重新配置仪器并通过软件调整参数，这意味着您可以适应快速变化的测试条件。一些数字锁定放大器允许多仪器部署，这意味着您可以在一台设备中同时使用多个独立的锁定放大器，以节省实验室工作台空间、最大限度地降低成本并降低系统复杂性。
稳定性
数字锁定放大器，尤其是那些采用现场可编程门阵列 (FPGA) 等稳定数字电路实现的放大器，其随时间的漂移往往比模拟锁定放大器小得多，这意味着它们的性能可以在更长时间内保持稳定。 FPGA 对温度变化的敏感度也远低于模拟组件，这使得数字锁相放大器在不同的环境条件下更加稳定。
哪些应用使用数字锁相放大器？
数字锁相放大器如今用于多种应用，从活细胞成像到量子传感。
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使用数字锁定放大器进行细胞成像数字锁定放大器可使用受激拉曼散射 (SRS) 显微镜等技术实现双通道实时成像。通过使用高质量数字锁定放大器，研究人员可以对活细胞样本进行同步双通道成像。 |
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使用数字锁定放大器检测暗物质世界各地的研究人员正在突破粒子物理学的极限，以便成功探测暗物质。通过使用数字锁定放大器，他们可以利用高水平的灵活性和性能来测量低至 nV 级别的信号。 |
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使用数字锁相放大器进行量子传感在量子传感和光学时钟开发等应用中，系统稳定性至关重要。借助数字仪器，整个测试设置可以整合到单个设备中，从而获得更稳定的结果并减少系统损耗。 |
基于 FPGA 的数字锁定放大器
为了执行双相、多通道锁定检测， 主要特点 将低噪声模拟前端与 FPGA 的处理能力相结合。
Moku 锁定放大器允许您同时部署多达四个独立的锁定放大器，或将锁定与各种其他仪器结合使用，例如 频谱分析仪 或者 数字滤波器 在多仪器模式下（图 3）。
图 3：多仪器模式设置 英特尔实验室的光子 IC 测试
选择正确的锁相放大器
无论您使用的是模拟还是数字锁定放大器，这些仪器对于在物理、化学等无数应用中从环境噪声中提取微弱信号至关重要。为您的测试选择正确类型的锁相放大器需要您评估外形尺寸、灵活性、规格等。了解有关锁相放大器和替代相位测量仪器的原理的更多信息，例如 莫库相位计，看看这个 应用笔记.
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