鎖相放大器的新進(jìn)展
孫志斌 陳佳圭†
（中國科學(xué)院物理研究所 北京 100080）
摘要 本文主要介紹了模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器原理、特點、過渡和發(fā)展過程。通過數(shù)字鎖相放大器的硬 件的模塊化結(jié)構(gòu)、靈活的算法設(shè)計、軟件的升級能力、應(yīng)用的范圍和特點、以及性價比等說明鎖相放大器發(fā)展的前 景和動力。
關(guān)鍵詞 模擬鎖相放大器，數(shù)字鎖相放大器，正交相關(guān)算法，數(shù)字鎖相環(huán)，數(shù)字低通濾波 Advance of Lock-inAmplifier SUNZhi-Bin CHENJia-Gui†
（Institute ofPhysics, ChineseAcademyofScience,Beijing100080,China）
Abstract Thisreviewgivesanintroductiontotheprinciple,characteranddevelopmentofthe analoganddigitalLock-inamplifier.Especially,thedigitalLock-inAmplifierhasthefollowing advantages:themodelhardware,flexiblearithmetic,updatablesoftware,extensiveapplicationand low cost.SothedevelopmentoftheLock-inAmplifierwouldhaveabrightfutureandpowerful strength.
Keywords analog Lock-in Amplifier, digital Lock-in Amplifier, orthogonal vector arithmetic, digital phaselockedloop,digital low pass filter.
1962年美國EG&GPARC（SIGNALRECOVERY公司的前身） 的第一臺鎖相放大器（Lock-in Amplifier，簡稱 LIA）的發(fā)明，使微弱信號檢測技術(shù)得到標(biāo)志性的突破，極大地推動了基礎(chǔ)科學(xué)和工 程技術(shù)的發(fā)展[1] [2]。目前，微弱信號檢測技術(shù)和儀器的不斷進(jìn)步，已經(jīng)在很多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中得 到廣泛的應(yīng)用，未來科學(xué)研究不僅對微弱信號檢測技術(shù)提出更高的要求，同時新的科學(xué)技術(shù)發(fā)展反 過來促進(jìn)了微弱信號檢測新原理和新方法的誕生[1][3]。
早期的LIA是由模擬電路實現(xiàn)的，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了模擬與數(shù)字混合的LIA，這種 LIA 只是在信號輸入通道，參考信號通道和輸出通道采用了數(shù)字濾波器來抑制噪聲，或者在模擬鎖相放大器（簡稱ALIA）的基礎(chǔ)上多了一些模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）和各種通用數(shù)字 接口功能，可以實現(xiàn)由計算機控制、監(jiān)視和顯示等輔助功能，但其核心相敏檢波器（PSD）或解調(diào)器 仍是采用模擬電子技術(shù)實現(xiàn)的，本質(zhì)上也是ALIA。直到相敏檢波器或解調(diào)器用數(shù)字信號處理的方 式實現(xiàn)后，就出現(xiàn)了數(shù)字鎖相放大器（簡稱DLIA），DLIA 比ALIA 有許多突出的優(yōu)點而倍受青睞， 成為現(xiàn)在微弱信號檢測研究的熱點，但是在一些特殊的場合中，ALIA 仍然發(fā)揮著 DLIA 不可替代
的作用[4~5]。
本文將通過介紹ALIA 的基本結(jié)構(gòu)、不足和特點；接著將重點介紹 DLIA 的一般結(jié)構(gòu)，并通過 硬件，軟件和算法三方面來說明DLIA 的發(fā)展趨勢。
一. 模擬鎖相放大器（ALIA）[1~3][5]
SIGNALRECOVERY 公司的5209 、5210和 5105、5106型是通用的ALIA，圖 1是其典型的 結(jié)構(gòu)，主要由信號輸入通道、參考輸入通道、相敏檢波器和正交相敏檢波器、輸出通道、微處理器
和輔助數(shù)字部分組成。輸入通道包括信號輸入、低噪聲前置放大、電流電壓轉(zhuǎn)換、放大和組合濾波 器。信號輸入有三種方式：單端電壓輸入，差分電壓輸入和電流輸入方式，可以適應(yīng)被測信號為電 壓和電流兩種形式。在被測信號為電壓信號的情況下，單端電壓輸入方式是常用的方式，如果信號 中存在共模干擾信號，就采用差分輸入方式。低噪聲前置放大器的增益可調(diào)，也可根據(jù)頻率和源阻 抗選擇最小噪聲因子的外接低噪聲前放或阻抗匹配變壓器，濾波器組主要分為陷波濾波器、組合濾 波器，陷波濾波器是濾除工頻及其二次諧波的干擾；組合濾波器可靈活組成低通、高通、帶通和陷 波四種模式。參考輸入通道由參考觸發(fā)、內(nèi)部時鐘、可調(diào)相移器和 90o固定相移器組成0~370o可變 移相。參考輸入可用外部輸入，或內(nèi)部時鐘信號（也可輸出用作被測信號的同步調(diào)制），由于參考觸 發(fā)整形電路的存在，只要求外部參考信號在一個周期內(nèi)有兩個過零點并且有一定的幅度，這意味著 方波、三角波和其它信號，以及如 TTL信號或邏輯電平等，都可以像正弦信號一樣作為參考信號使 用；內(nèi)部時鐘產(chǎn)生內(nèi)部相位開關(guān)來驅(qū)動相敏檢波器和正交相敏檢波器，使儀器運行于正交的雙相 ALIA 模式。相移器的調(diào)節(jié)使輸入信號與參考信號的相位差為零。在雙相位ALIA 中，90o相移器輸 出一個與輸入信號正交的參考信號，用來驅(qū)動兩個相敏檢波器，同樣通過后續(xù)的低通濾波器，分別 檢測被測信號，經(jīng)過直流放大器由電壓表顯示其結(jié)果。
相敏檢波器實質(zhì)是個模擬乘法器（或稱同步解調(diào)器），主要作用是將輸入信號與參考信號（正 弦或方波）相乘，其結(jié)果會出現(xiàn)輸入信號與參考信號的差頻項及和頻項，再通過低通濾波器濾除和 頻項，保留差頻項，最后輸出的直流信號與被測信號的振幅成正比，其關(guān)系可用下式簡單表示：
其中uo是低通濾波器輸出信號，Vs是輸入信號的幅值，Vr是參考信號的幅值，θ是輸入信號與參
考信號之間的相位差，系數(shù)k由輸入信號和參考信號的波形及相敏檢波器的工作模式來共同確定。 要使輸出直流信號與被測信號的振幅成正比，必須保證輸入信號與參考信號的頻率相同、相位差為 零（或固定的相位差），振幅也應(yīng)該是固定不變的常量，只有在這些條件都滿足的情況下，LIA 的直 流輸出信號才真正反映實際信號的變化。
正交矢量鎖相放大器是多了一個正交相敏檢波器，兩個相敏檢波器的工作原理完全相同，唯一
差別就是正交相敏檢波器的參考輸入多了一個90o 相移器，當(dāng)同相輸出為：I=kVV
cosθ
，正交
輸出則為：Q=kVsVrsinθ
，由上述兩路輸出可以計算出被測信號的幅度和相位：
Vs =
1
kVr
I2 +Q2
，θ=arctan（Q）
I
（2）
如果同相輸出與正交輸出通過ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在數(shù)字信號處理單元中按照公式（2）的
算法計算出被測信號的幅值和相位，并將數(shù)字形式的幅值和相位通過 DAC 轉(zhuǎn)換為模擬信號。正交 矢量ALIA 由于能計算出被測信號的幅值和相位，可以避免在測量時對參考信號做可變的移相調(diào)節(jié)， 可避免移相的調(diào)節(jié)誤差對測量準(zhǔn)確性的影響。
ALIA的進(jìn)步是微控制器的應(yīng)用，本圖１中所示了兩種常用數(shù)字通訊接口，即 232 串行通訊接 口和虛擬設(shè)備通用的GPIB 接口。通過這兩個接口可以用計算機去設(shè)置 ALIA 的各個參數(shù)，可以便 利操作與設(shè)備的系統(tǒng)集成。
信號 A
輸入放大
濾波
器組 A
PSD
低通
A.B 濾波
輸出放大
CH1
參考 輸入
TTLREFIN
電流電壓轉(zhuǎn)換
參考
Q-PSD
A
相移 B A.B
輔助輸入
低通 濾波
A/D
輸出放大
DSP D/A
AUX
CH2
內(nèi)部 時鐘輸出 時鐘
微控制器
IEEE-GPIB
RS232
圖1 模擬鎖相放大器（ALIA）的典型結(jié)構(gòu)
模擬電子器件存在溫度漂移，又由于各個有源模擬器件本身就是個噪聲源，而無源器件也會引
入噪聲，這些電子系統(tǒng)的噪聲會影響ALIA 輸出信噪比的提高，也影響輸出直流放大器的放大倍數(shù) 的提高。更為重要的是ALIA本身是一個開環(huán)系統(tǒng)，無法對干擾造成的誤差予以糾正。這些因素限 制了ALIA 性能的提高和更進(jìn)一步的發(fā)展。目前，在要求短時間響應(yīng)的二級鎖相檢測系統(tǒng)、二級鎖 相閉環(huán)檢測系統(tǒng)和高頻率的鎖相系統(tǒng)檢測等的應(yīng)用中，ALIA仍然不可替代。
二. 數(shù)字鎖相放大器（DLIA）[4]
如果LIA 的相敏檢波器（或同步解調(diào)器）是用數(shù)字信號處理的方式實現(xiàn)的，就成為DLIA。 SIGNALRECOVERY 公司提供了多種的、系列的DLIA，如7210、7225、7225BPF、7265、7280和7280BFP等，其原理如圖2 所示。一般的結(jié)構(gòu)包括以下一些部分，即信號輸入通道、參考輸入 通道、數(shù)字相敏檢波器、正交數(shù)字相敏檢波器、數(shù)字低通濾波器、輸出通道、輔助輸入通道、輸出 微處理器、輔助輸出通道和微控制器部分。其中信號的輸入通道與ALIA 相同，只不過是交流放大 必需保證轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時有足夠大的幅值。抗混疊濾波器是模擬信號數(shù)字化之前所要考慮的，其 作用是濾除不需要的頻率信號，并將要數(shù)字化的信號在不失真前提下將其頻率上限限制在采樣頻率 的一半以下，避免ADC 的信號出現(xiàn)虛假信號，即主ADC 的采樣頻率必須滿足采樣定律。被轉(zhuǎn)換 后的數(shù)字信號被送入數(shù)字信號處理器（DSP）中，依據(jù)一定的算法完成相敏檢波器的功能，再通過 數(shù)字低通濾波器后獲取差頻后的直流信號。參考通道以信號輸入通道相同的采樣速率提供數(shù)字相敏 檢波器所需要的相位信息，參考輸入通道同樣有內(nèi)部和外部參考信號兩種。在外部參考信號模式下， 輸入的模擬參考信號或邏輯電平，被一個DSP單元采用數(shù)字鎖相環(huán)算法測量其頻率，并產(chǎn)生所需 要的相位信號。在內(nèi)部參考信號的模式下，只需要給參考 DSP 單元輸入所需要的參考信號頻率值， 就可以在所選定的頻率上產(chǎn)生數(shù)字相敏檢波處理單元所需要的相位信號，這種方式不需要外部參考 信號和ALIA所需要的相位鎖相環(huán)，因此不需要時間鎖相就可直接輸出相位信號，降低了相位噪聲。 參考通道中的n 倍頻器不僅可以在與輸入信號相同的頻率上進(jìn)行鎖相，而且還可以在輸入信號的n 倍諧頻上進(jìn)行鎖相檢測，這在俄歇光譜學(xué)等領(lǐng)域中是非常有用的，但是n 倍頻后最大頻率是受最大 參考頻率限制的。參考信號處理單元也可實現(xiàn)數(shù)字參考相移，其精度可達(dá)到毫度。同相相位和正交 相位信號在數(shù)字處理單元中一般通過查詢的方式實現(xiàn)，可以使同相相位信號和正交相位信號同時提
供給兩個數(shù)字解調(diào)器，使輸出的兩個分量能同步輸出。輸出通道中的數(shù)字低通濾波器，可以減小模 擬濾波器的截止頻率不穩(wěn)定所造成的誤差。輸出DAC 將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出，輸出處理 單元可以通過和的平方根算法和除法算法計算出被測信號的幅值和相位。輸出微處理器可以對從輔 助ADC 的數(shù)字信號進(jìn)行必要的運算，在通過DAC 轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出或數(shù)字顯示。另外DLIA 還包括一個微控制器，該微處理器有輔助數(shù)字輸出、數(shù)字顯示，鍵盤通訊，IEEE-488通訊和RS233 通訊功能。
與ALIA 相比，DLIA 有以下優(yōu)點：
（1）由于DLIA 在輸出通道中沒有直流放大器，可以避免直流放大器的工作特性隨時間變化 的不穩(wěn)定性和由于溫度變化引起的溫度漂移帶來的干擾，這是ALIA 不可解決的問題之一；
（2）DLIA的內(nèi)部晶振時鐘源隨時間和溫度變化小，用這種穩(wěn)定性高的時鐘源來做調(diào)制信號和 參考信號能降低參考信號的不穩(wěn)定所帶來的誤差，同時在內(nèi)部參考模式中，數(shù)字信號處理單元能在 最短時間甚至能不需要延時就能完成鎖相功能，尤其在頻率掃描測量中有其明顯的優(yōu)點；
（3）如果被測信號有較強的正交性，采用DLIA 的高性能的正交解調(diào)技術(shù)，使微弱信號檢測 精度能得到很大程度上的提高；
（4）隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理單元的性價比提高，使DLIA 的性價比也得到相應(yīng)的提 高，數(shù)字鎖相技術(shù)將會更深入地影響未來的測量技術(shù)。
信號輸入 輸入放大
A
交流放大
線性
抗混疊
A/D
D.S.P
A AB 低通
D/A
快速X輸出
B/I
電流電壓轉(zhuǎn)換
餡波 濾波器
時鐘輸出 內(nèi)部
時鐘
主模數(shù)轉(zhuǎn)換
cosωt
查詢表
B 濾波
A/D
輸出微 處理器
D/A
輔助輸出 數(shù)字顯示
參考輸入
TTLREFIN 參考
相移 sinωt
ｎ倍
輔助輸入
A
D/A
Ch1輸出
Ch2輸出
REFIN
觸發(fā) 頻器
B AB 低通
濾波
D/A
輔助數(shù) 字輸出
顯示 鍵盤 微控制器
Q-D.S.P
GPIB-IEEE-488
RS-232
R=
x2 +y2
D/A
快速Y輸出
快速幅值輸出
圖2 數(shù)字鎖相放大器（DLIA）的典型結(jié)構(gòu)
表1列出了SIGNAL RECOVERY 公司提供的商品LIA 的主要性能，對 DLIA 和ALIA 作比
較，供應(yīng)用中的選擇。
表1 SIGNALRECOVERY 鎖相放大器的主要性能比較
| | 7210 （DLIA） | 7225 （DLIA） | 7265 （DLIA） | 7280 （DLIA） | 5209/5210 （ALIA） | 5105/5106 （ALIA） |
| 頻率（Hz） | 200~50.5k | 0.001~120k | 0.001~250k | 0.5~2M | 0.5~120k | 5~20k |
| 靈敏度 （FS） | 10μV~1V 10pA~1μA | 2nV~1V 2fA~1μA | 2nV~1V 2fA~1μA | 10nV~1V 10fA~1μA | 100nV~3V 1pA~0.3mA | 10μV~1V |
| 動態(tài)儲備 | >80dB | >100dB | >100dB | >100dB | >130dB | >80dB |
| 時 常 數(shù) | 4ms~1ks | 10μs~100ks | 10μs~100ks | 1μs~100ks | 1ms~3ks | 0.3ms~10s |
| 諧波抑制 | >90dB | >90dB | >90dB | >90dB | >80dB | |
| 諧波測量 | F、2F | 32F | 65536F | 32F | F、2F | F |
| 特 點 | 32通道， 128通道 | | 常用 | 寬帶 | 常用 | 模塊式/插件式 |
| 解調(diào)方式 | 直接數(shù)字解調(diào)，無需下變頻 | 正弦或方波 | 方波 |
| 典型應(yīng)用 | 電、光、磁、聲、熱、超導(dǎo)、振動等測量；各種譜儀、電鏡掃描探頭、 原子力顯微鏡等應(yīng)用；以及AC 阻抗測量、AC橋、反饋控制環(huán)等。 | 用于儀器配 套 和教學(xué) |
三。數(shù)字鎖相放大器（DLIA）的新發(fā)展[6][4]
1�；�于單片機的DLIA
目前通用單片機一般是 8位型單片機，工作頻率最大為20MHz。隨著單片機技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， 也逐漸出現(xiàn)了16 位型單片機，工作頻率也逐漸提高到100MHz。由于單片機的廉價和開發(fā)的便利性， 使單片機將廣泛地應(yīng)用于DLIA。但是受到單片機處理能力的限制，因此用單片機的DLIA的算法 要進(jìn)行優(yōu)化，使算法更加簡單，有效并適合單片機的硬件特性。
文獻(xiàn)6 報道了由DDC112和At89c82528位單片機構(gòu)成的DLIA。主要目的是用來測微弱的緩慢 變化的光信號，由于背景光比較強，因此需要 DDC112 作為20 位的ADC，來提高探測系統(tǒng)的動態(tài) 范圍。該系統(tǒng)的最大采樣頻率是 2kHz，這主要受DDC112 的采樣速度限制。At89c8252限制了系統(tǒng) 的運算能力，需要高效的優(yōu)化算法來完成數(shù)字鎖相放大功能。
作為LIA 首要解決的問題是如何消除低頻噪聲，現(xiàn)在大多采用一種叫頻譜倒置的算法。這種算 法主要是通過交替交換采樣點的正負(fù)號，實現(xiàn)比較簡單，便于單片機處理。文獻(xiàn)報道了一種適合于
8位單片機的低通濾波算法， 這種算法是單極點的2.5Hz的Butterworth 低通濾波器，此算法的主 要優(yōu)點是濾波器的系數(shù)是 1/256的倍數(shù)，可以通過簡單的移位操作即可完成系數(shù)的除法運算。將上 述兩個算法融合與一起，即同時完成頻譜倒置和低通濾波器的作用，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[6]：
y = − xn
+xn−1 +y
−yn−1 −yn−1
（3）
在實現(xiàn)過程中，由于采樣數(shù)據(jù)是20位數(shù)據(jù)，中間運算數(shù)據(jù)要采用32位才能保證其精度，這要
用四個字節(jié)才能完全表示，并且在讀寫存儲器過程中也比較困難，這主要使用了 C 或C++中的枚舉 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來解決的。另外文獻(xiàn)還報道了通過數(shù)字查表方式修正由于系統(tǒng)中DDC112 的兩個不匹配積 分電容所帶來的誤差[5]，從而保證了系統(tǒng)的最大動態(tài)范圍，提高了系統(tǒng)性能。
這樣簡單的系統(tǒng)之所以能取得較好的性能，主要用了優(yōu)化的算法和通過數(shù)字查表方式得到解決。 但是該系統(tǒng)由于單片機較差的處理能了和較慢的運行速度，使該系統(tǒng)只能應(yīng)用于低頻信號檢測中。
2�；�于專用 DSP 的DLIA
自從專用DSP誕生以來，使信號的數(shù)字實時處理成為可能。這主要得益于DSP中的乘加求和 的快速運算功能，使復(fù)雜的算法能在幾個指令周期內(nèi)完成。DLIA 的相關(guān)運算和數(shù)字濾波算法正是
DSP的優(yōu)勢所在。文獻(xiàn)[7~11]報道了以AT&T的DSP32C，TI 的TMS320C30 和TMS320C6xEVM, 及 MOTORALA 的DSP56002EVM 作為 DSP 的DLIA。這幾種 LIA 根據(jù)實際需要和ADC 與DAC轉(zhuǎn) 換速度的限制，工作頻率在幾Hz 到幾十kHz 的低中頻范圍內(nèi)，如果采用高速的ADC、DAC器件 和高速的DSP 處理器并采用并行分布式設(shè)計方法，工作在 MHz的DLIA 也是不難實現(xiàn)的。下面將 著重介紹基于上述硬件結(jié)構(gòu)的DLIA所需要的基本常用算法。
一般DLIA 所共有的雙通道正交相關(guān)算法，這種算法的基本思想源于正交矢量ALIA，但又有 不同，如圖２所示。參考信號的兩個正交分量是根據(jù)內(nèi)觸發(fā)或外觸發(fā)參考信號的頻率和相位，通過 DSP 的內(nèi)部查表方式而產(chǎn)生的。因此這兩個正交信號不會因為內(nèi)部觸發(fā)信號和外部觸發(fā)信號的形式
（即正、余弦，方波或三角波參考信號）而改變。因此能消除由于參考信號是其它形式而造成的諧 波分量的干擾。在內(nèi)觸發(fā)模式下，采用DAC 和ADC 的相同的采樣頻率，能使采樣得到的被測信號 和參考信號在相同采樣點上的相位差恒定，從而消除了由于相位差不恒定而造成的干擾。相同采樣 時刻的采樣數(shù)據(jù)分別與正交的兩個參考信號在 DSP 中通過相乘運算就可以完成相關(guān)算法。為了降低 由于采樣和量化引入的各種相位噪聲，還需要使采樣頻率設(shè)置為參考信號頻率的整數(shù)倍，滿足采樣 定理并要對被測信號進(jìn)行抗混疊濾波。
數(shù)字檢相器
θ（z）
+
E（z）
-
φ（z）
低通環(huán)路濾波器
F（z）
數(shù)控振蕩器
1
z−1
圖3數(shù)字相位鎖相環(huán)
在參考信號由外觸發(fā)信號提供情況下，為了準(zhǔn)確獲得與外觸發(fā)信號的頻率和相位相同的兩個正
交參考信號，就需要能準(zhǔn)確跟蹤外觸發(fā)信號，在數(shù)字信號處理上就需要一個數(shù)字相位鎖相環(huán)算法來 實現(xiàn)該功能。文獻(xiàn)[7][9]詳細(xì)討論了數(shù)字相位鎖相環(huán)算法和實現(xiàn)過程，如圖3 所示，數(shù)字相位鎖相環(huán) 主要由數(shù)字檢相器，低通濾波器和數(shù)控振蕩器構(gòu)成，其傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)公式如下[7]：
H（z）=? （z）=
θ（z）
F（z）
，
（z−1）+F（z）
F（z）=k1 +
k2
（1−z−1）
（4）
公式（4）中的具體系數(shù)要根據(jù)硬件系統(tǒng)和算法來確定。另外，文獻(xiàn)[7]還對外觸發(fā)信號采用了頻 率與幅值估計算法來跟蹤外觸發(fā)信號的頻率與幅值，以防數(shù)字相位鎖相環(huán)失鎖和調(diào)節(jié)直流增益防止 DLIA 溢出。這些復(fù)雜的算法之所以能在DLIA 中實時處理，主要得益于這種專用 DSP 的特點。最 后文獻(xiàn)還報道了在信號輸出通道中采用低通濾波器來對輸出信號進(jìn)行濾波。此低通濾波器一般都采 用IIR 結(jié)構(gòu)的Butterworth 算法，因為該濾波器帶通的最大平坦特性。
在上述算法的基礎(chǔ)上，使得DLIA 的在0.5Hz~20kHz頻段上的動態(tài)儲備比ALIA要高。DSP的 自動加載程序特性使DLIA 能獨立運行并嵌入到其他系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[10]就是將DLIA 作為一個模塊嵌 入到分光光度計系統(tǒng)中的例子。隨著DSP 的處理功能的增強和相應(yīng)算法的發(fā)展，DLIA 的性能會進(jìn) 一步得到提高，并出現(xiàn)新的特征和用途。
3。基于PC 的系統(tǒng)級模塊化DLIA
基于PC 的DLIA 的硬件架構(gòu)有兩種模式：一種是用標(biāo)準(zhǔn)總線及標(biāo)準(zhǔn)機箱的硬件設(shè)計，如采用 一種通用的 VME-bus 數(shù)據(jù)總線和 3U, 5VME板的 6插槽標(biāo)準(zhǔn)機箱結(jié)構(gòu)[12] ，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于能 將DLIA集成于一個復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)中，同時也可以通過采用專用數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理卡來提高
DLIA的性能；第二種是用通用數(shù)據(jù)總線的設(shè)備級硬件結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)主要是用于集成各種專用數(shù) 字設(shè)備，如由HP3325A信號源, HP318計算機, KEITHLEY705掃描器和KEITHLEY194數(shù)字采集 器或HP3561A 數(shù)字分析儀通過IEEE-488 總線連接而成的DLIA 系統(tǒng)[13]。這兩種都是開放式結(jié)構(gòu)， 易于系統(tǒng)升級，模塊的高性能指標(biāo)會使DLIA 系統(tǒng)的性能更強，頻帶范圍能從DC 到幾百MHz，甚 至可以到GHz。這些優(yōu)勢使得ALIA 望塵莫及。
這種基于PC的DLIA的最大優(yōu)勢在于核心數(shù)字處理單元是由資源豐富，功能強大的CPU構(gòu)成， 各種應(yīng)用軟件在操作系統(tǒng)平臺上運行。與此相比，基于DSP 的DLIA 為了提高算法的效率，算法是 通過匯編語言實現(xiàn)的，這種對硬件依賴性極強的匯編語言不僅易讀性差并且移植性也低。而基于PC 的數(shù)字鎖相算法是采用C，C++等高級語言實現(xiàn)的，因此可以直接在由不同CPU構(gòu)成的PC系統(tǒng)上 運行。在算法設(shè)計不需要考慮硬件資源的限制，尤其對DLIA性能影響極大的低通濾波器的設(shè)計來 說，可以把各種不同結(jié)構(gòu)和階數(shù)的 FIR 和IIR 濾波器都包含在一個濾波包中，根據(jù)實際需要選擇相 應(yīng)的濾波器，這樣就提高了DLIA 的靈活性和性能。如果采用可視化語言 LABVIEW 來實現(xiàn)DLIA， 整個系統(tǒng)可以將友好直觀的控制界面與算法集成于一起，使整個系統(tǒng)集成為一個虛擬儀器，便于系 統(tǒng)的操作。采用這種語言實現(xiàn)的DLIA 系統(tǒng)已有報道[14]。
由于整個系統(tǒng)運行在PC 平臺上，因此也可以使用各種仿真軟件對算法進(jìn)行預(yù)測研究，尤其是 算法在極端條件下的性能，將給算法的進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)指明方向。例如使用MATLAB 對算法進(jìn) 行預(yù)測，并通過模擬仿真對算法系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。提高了算法的性能[9~10]。另外采用 MATLAB, MATHMATICAL等仿真軟件還可以對自適應(yīng)濾波，小波分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新的算法在DLIA 中的 應(yīng)用的進(jìn)行研究，使其功能更加多樣化。
因此基于PC 的系統(tǒng)級模塊化DLIA 有以下優(yōu)勢：可以進(jìn)行多級DLIA 的研究，可以利用最新 的算法來提高特殊的性能，可以通過系統(tǒng)的觀點來實現(xiàn)靈活的DLIA 檢測。從靈敏度，動態(tài)范圍， 動態(tài)儲備，穩(wěn)定性等性能指標(biāo)上比較，DLIA 的性能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了ALIA
。 四。討論
ALIA是用模擬器件設(shè)計的早期產(chǎn)品，由于模擬器件的溫漂和噪聲影響，限制了LIA 的輸出信噪 比的提高，也限制了動態(tài)范圍；ALIA 不是閉環(huán)系統(tǒng)，沒有反饋調(diào)節(jié)，信號失真程度較大；當(dāng)設(shè)計 一旦完成，其功能也就完全被確定，系統(tǒng)升級能力差，性能不可能大幅度提高，成本也高，本質(zhì)上 限制了發(fā)展。但是，ALIA 的在一些特殊場合有不可替代的特性，例如對信號的相位比較敏感的系 統(tǒng)和高頻系統(tǒng)中的應(yīng)用等。
目前商品形式的 DLIA（見表 1），是先將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號再進(jìn)行靈活的相關(guān)運算處理， 因而抗干擾能力強，信噪比高。又因為輸出級沒有直流放大器漂移的影響，動態(tài)范圍大。
LIA的進(jìn)一步發(fā)展是隨著數(shù)字信號處理硬件技術(shù)和軟件算法的發(fā)展，使 DLIA 對超低頻的信號檢 測能力超過 ALIA，并能設(shè)計出DLIA 所獨有的新功能。即使在不變的硬件平臺上，也能通過軟件 算法的升級而使整個系統(tǒng)的性能得到提高。這種數(shù)字化硬件平臺容易模塊化，可以嵌入到其他系統(tǒng) 中，使DLIA 的應(yīng)用更加廣泛。DLIA 與計算機相結(jié)合可以成為虛擬儀器；也可被軟件化為軟件鎖 相放大器。當(dāng)然，要使這些研究轉(zhuǎn)變成商品應(yīng)用還需假以時日，但新的DLIA 必將成為十分活躍的 發(fā)展領(lǐng)域。另一方面，ALIA 也正孕育著新的原理和方法的突破。
1. 陳佳圭. 微弱信號檢測. 中央廣播電視大學(xué)出版社，1987
2. 陳佳圭.金瑾華 微弱信號檢測－－-儀器的使用和實踐. 中央廣播電視大學(xué)出版社，1989
3. 高晉占. 微弱信號檢測. 清華大學(xué)出版社，2004
4. The Digital Lock-inAmplifier.SIGNALRECOVERY, 95~98
5. TheAnalog Lock-inAmplifier.SIGNALRECOVERY, 91~94
6. Asimplemicrocontrollerbaseddigitallock-inamplifierforthedetectionoflowleveloptical signals,AdrianA.DorringtonandRainerKünnemeyer,ProceedingoftheFirstIEEEinternational
Workshop on ElectronicDesign,TestandApplications（DELTA’02）0-7695-1453-7/02,2002 IEEE
7. Digitallockinamplifier:study,designanddevelopmentwithadigitalsignalprocessor,J.Gaspar, S.F.Chen,Microprocessors ａnd Microsystems28（2004）157-162
8. 一種基于DSP 和采樣ADC 的數(shù)字鎖相放大器，胡紹民，張廣發(fā)，數(shù)據(jù)采集與處理，Vol.15 No.2
Jun.2002 222-225
9. A modular, Low-cost, digital signal processor-bassed lock-in card for measuring optical attenuation,Rev.Sci.instrum.,Vol.72,No.1, January2001,247-251.
10. Low-cost,digitallock-inmodulewithexternalreferenceforcoatingglasstransmission/reflection spectrophotometer,RAlonso,FVilluendas,JBorja,L A BarraganandISalinas,Meas.Sci. Technol.14（2003）551-557.
11. DesignandAnalysisofdigitallock-insine-waveamplitudedetectorbasedonTMS320C6xEVM, Liping Qian, Defu Cheng, Juntuan Zhang, Yanzhang Wang, Guifen Zheng, ICSP’04
Proceedings,0-7803-8406-7/04,2004 IEEE,2545-2548
12. High-performance modular digital lock-in amplifier, F.Barone, E.Calloni, L.Difiore, Rev.Sci.instrum.,Vol66,No.6,June19953679-3702
13. Broadbanddigitallock-inamplifiertechniques,PaulK.DixonandLeiWu,Rev.Sci.instrum. Vol.60,No.10,October1989,3329-3336
14. Multiple-channeldigitallock-inamplifierwithPPMresolution,Pierre-AlainProbstandAlain
Jaquier,Rev.Sci.instrum.,Vol.65,No.3,March1994,747-750
