深入浅出学习锁相放大器，以ADI ADA2200为例

信噪比这个名词相信大家都不陌生，它是指一个电子信号系统中信号和噪声之间的比例。

信噪比 = 10lg (Ps/Pn)

Ps: 信号的有效功率

Pn: 噪声的有效功率

也可以换算成电压幅值的比率关系：20Lg (Vs/Vn)

通常来说信噪比越大，夹杂在有效信号中的噪声便越小，可以提取到的有效信号质量就会越好；一般的信号系统信噪比达到 100dB 以上 ,音响系统就可以达到 120-130dB 左右; 而当信噪比在达到 -50 或者 -60dB 的情况下，提取的信号相对于噪声信号是非常小的，有没有可能检测这种微弱信号呢？答案是：可以，我们可以利用锁相放大器完成这种工作。

锁相放大器是根据正弦函数的正交性原理工作。简单来说，锁相放大器就是利用了积化和差的三角函数变换，如果一个频率为α的正弦函数和一个频率为β的正弦函数相乘的话，假设此时他们的相位也是相同的，那我们就会得到平均值是幅值乘积的一半：

Asinα * Bsinβ = -(1/2）*AB*【cos(α+β) - cos(α-β)】 

上式是基于在两个函数相位相等的情况下；假如两个正弦函数在 α=β 的情况下，我们可以发现相乘的结果是：

一个直流分量加上一个2倍的α或者2倍的β频率的信号。这就是频谱搬移，当我们在两个信号相乘之后，利用一个低通滤波器，是不是可以直接将高频信号给去除掉呢？这点给了我们启发，将需要检测的小信号先调制到一个已知信号的频率，然后再利用频谱搬移解调出来，就可以实现检测到微小信号的目的。锁相放大器本质就是一个调制解调器。

下图显示的是解调之前信号输出频谱，可以看出有用信号还在比较高的频段，噪声相比有用信号比值较大。

 图2是解调之后的信号输出频谱，此时信号已经被搬移到了低频区域，利用低频滤波器可以过滤到绝大多数的噪声。

以上理论是基于两个信号的相位完全一致的情况下，如果两个信号存在相位差，会对结果造成多大的影响？

 Asinα*Bsin（β+60°）=（1/2）*AB*【cos（α-β-60°）-cos（α+β+60°）

在频率一致 α=β 以及加了低通滤波器去除高频信号后，此时输出不是（1/2）*AB，而是在此基础上再乘以 cos（-60°），Out=（1/4）*AB
所以想要得到最好的结果，必须保证两个信号的相位要绝对一致，然而在实际使用中，保证相位的绝对一致是比较难实现的, 任何非常微小的相位浮动，都会直接影响输出结果，从而降低输出信号的信噪比以及信号的稳定性。目前解决这个问题最好的方法是双相位解调。

所谓的双相位解调，相当于使用两个混频器，输入信号分别进入两个器件与本地振荡器进行混频，两个本地振荡器信号之间设定 90° 的相对相位差；那么此时锁相放大器相当于在两个不同的相位 I以及Q情况下对输入信号进行解调，假设得到的信号是X以及Y

这样输出信号不受解调信号相位的影响。

基于以上的理论基础，我们可以了解到一个理想的锁相放大器应该具备以下特点：

• 可以提供调制信号
• 具有 90° 正交解调功能
•  具有带宽比较合适的低通滤波器、

而在ADI 众多产品中，具备上述几大特点的锁相放大器就是ADA2200。

作为一款集成化的比较完美的器件， ADA2200是一款采样模拟技术同步解调器，广泛用于工业、医疗和通信应用中的信号调理。

• 解调信号输入带宽至 30 kHz
• 可编程滤波器实现可变带宽滤波器跟踪输入时钟频率
• 可编程参考时钟频率
• 灵活的系统接口
  单端/差分信号输入和输出
  轨到轨输出可直接驱动模数转换器(ADC)

主时钟通过 CLKIN 给到ADA2200，ADA2200集成一对片内时钟分频器，用来产生系统时钟。输入时钟分频器 CLKIN DIV[2:0] 通过对 CLKIN 信号进行分频处理，设置抽取器的输入采样速率 (fSI)。CLKIN DIV[2:0] 数值可设为1、16、64 或 256。输出采样速率 (fSO) 始终等于抽取器输入采样速率的1/8。RCLK 分频器 RCLK DIV[1:0] 通过将 fSO 进行 4 或 8 分频，设置混频器频率 fM (同时也是 RCLK 的频率)。

RCLK 用来激励传感器，相当于调制的过程，传感器信号经过放大器缓冲单端进入ADA2200进行IQ双相位解调；值得注意的是ADA2200内部并非通过参考信号与输入信号相乘实现解调，而是通过在半采样输出周期内保持输出不变而实现的。此操作类似于输入信号的半波解调。

ADA2200集成ADC驱动，可以将结果直接给到ADC当中，简化信号链的设计。

通过以上的介绍，我们学习了锁相放大器的理论知识及其基本组成部分，并以ADI的ADA2200集成器件为例介绍了锁相放大器电路。在一些微弱信号检测中，锁相放大器是必不可少的一部分，深入了解调制解调技术更是灵活运用锁相放大器的基础，感兴趣的工程师可以深入研究一下ADA2200, 也可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们愿意为您提供更深入的讲解与介绍。

1. ADA2200 | 精密调制器和解调器 | 亚德诺（ADI）半导体 (analog.com)