鎖相放大器采用在無(wú)線電電路中已經(jīng)非常成熟的外差式振蕩技術(shù)，把被測(cè)量的信號(hào)通過(guò)頻率變換的方式轉(zhuǎn)變成為直流。

在外差式振蕩技術(shù)中被稱為本地振蕩（Local Oscillation）的、用于做乘法運(yùn)算的信號(hào)，在鎖相放大器中被稱為參照信號(hào)，是從外面輸入的。鎖相放大器能夠（從被測(cè)量信號(hào)中）檢測(cè)出與這個(gè)參照信號(hào)頻率相同的分量。在被測(cè)量的信號(hào)里所包含的各種信號(hào)分量中，只有與參照信號(hào)頻率相同的那個(gè)分量才會(huì)被轉(zhuǎn)換成為直流，因而才能夠通過(guò)低通濾波器（LPF）。其他頻率的分量因?yàn)楸晦D(zhuǎn)換成為頻率不等于零的交流信號(hào)，所以被低通濾波器（LPF）濾除。
在頻率域中，如下圖所示。

鎖相放大器對(duì)于噪聲的抑制能力，是由上圖中低通濾波器（LPF）的截止頻率來(lái)確定的。例如，在測(cè)量10kHz的信號(hào)時(shí)，如果使用1mHz的低通濾波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的帶通濾波器時(shí)的噪聲抑制能力。如果換算成為Q值，就相當(dāng)于5×10⁶。要想真正制造這樣高的Q值的帶通濾波器，那是不可能的。但是，使用鎖相放大器，這就很容易實(shí)現(xiàn)了。

如同前面所解說(shuō)的那樣，在使用通頻帶非常狹窄的帶通濾波器（BPF）時(shí)，如果其中心頻率與被測(cè)量信號(hào)的頻率有所偏離，那么就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，最糟糕的情況下可能會(huì)把被測(cè)量信號(hào)也濾除了。

與這種情況相比較，對(duì)于鎖相放大器來(lái)說(shuō)，即使低通濾波器的截止頻率多少有些偏離，只要還能夠讓直流通過(guò)，那么對(duì)測(cè)量結(jié)果也不會(huì)有大的影響。與帶通濾波器相比較，鎖相放大器更容易實(shí)現(xiàn)通頻帶非常狹窄的低通濾波器，不管通頻帶多么狹窄都能實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，鎖相放大器具有強(qiáng)大的能力從噪聲中檢測(cè)出被掩埋的信號(hào)。

那么，實(shí)際的鎖相放大器又是什么樣的呢？

■使用PSD（相敏檢波器）作為乘法器。

如前面所解說(shuō)的那樣，頻率變換是通過(guò)乘法運(yùn)算來(lái)進(jìn)行的。一般的乘法運(yùn)算模擬電路，其線性程度和溫度穩(wěn)定性都存在問(wèn)題。所以，在實(shí)際的鎖相放大器中，采用開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行同步檢波，由此實(shí)現(xiàn)頻率變換。由開(kāi)關(guān)元件所進(jìn)行的同步檢波電路，稱作PSD（相敏檢波器，Phase Sensitive Detector）,這是組成鎖相放大器的心臟部分。

采用方波作為參照信號(hào)，與參照信號(hào)同步使被測(cè)量信號(hào)的極性翻轉(zhuǎn)，也就是在×1/×(-1)這兩者之間進(jìn)行切換。

■需要進(jìn)行相位調(diào)節(jié)。

如下圖所示，PSD的輸出信號(hào)會(huì)由于被測(cè)量信號(hào)與參照信號(hào)之間的相位差，而產(chǎn)生很大的變化。由此，低通濾波器（LPF）的輸出信號(hào)（也就是鎖相放大器測(cè)量所得到的值）也會(huì)產(chǎn)生變化。

除了相位差為0°之外，在其他狀態(tài)下不能很好地測(cè)量被測(cè)信號(hào)的大小。這樣，就需要把參照信號(hào)與被測(cè)量信號(hào)之間的相位差調(diào)節(jié)到0°，然后再輸入到PSD。這個(gè)相位調(diào)節(jié)的電路，稱作移相電路（Phase Shifter）,是鎖相放大器中必不可少的電路。

上述的鎖相放大器，稱作「單相位鎖相放大器」。為了能夠正確地測(cè)量振幅和相位，需要有能夠調(diào)節(jié)移相電路的「相位調(diào)節(jié)」部分。另外，如果將參照信號(hào)的相位移動(dòng)90°，使用兩個(gè)PSD，那么也可以組成不需要調(diào)節(jié)相位的「雙相位鎖相放大器」。

最后，讓我們來(lái)說(shuō)明鎖相放大器的一個(gè)重要參數(shù)——“動(dòng)態(tài)保留”。

對(duì)于通常的電壓表，是有測(cè)量量程的。在10V量程，能測(cè)量的最大電壓為10V。如果超過(guò)了10V電壓，那么就需要增大量程，例如，用20V的量程進(jìn)行測(cè)量。
鎖相放大器也是一種電壓表，當(dāng)然也有測(cè)量的量程。但是，鎖相放大器是用來(lái)測(cè)量被掩埋在噪聲中的微弱信號(hào)的，所以除了通常的測(cè)量量程之外，還具有被稱作為“動(dòng)態(tài)保留”的一個(gè)參數(shù)。該參數(shù)表示可以容忍測(cè)量量程的最大多少倍的噪聲，由下面的公式來(lái)定義。

對(duì)于幾乎所有的鎖相放大器，與被測(cè)量的信號(hào)在一起，“動(dòng)態(tài)保留”是有若干個(gè)檔級(jí)可以變更的。
例如，在一開(kāi)始介紹的「在要測(cè)量的0.1mVrms的目的信號(hào)上，疊加了0.1Vrms（≈0.8Vp-p）的噪聲電壓」的那一個(gè)例子中，如果把測(cè)量量程設(shè)定為0.1mV量程，那么就需要有78dB以上的動(dòng)態(tài)保留。

為什么「鎖相放大器」有很強(qiáng)的抗噪聲能力？

鎖相放大器不容易受到噪聲影響的原因，是因?yàn)楹芎玫乩�用了噪聲（白噪聲）與目的信號(hào)（正弦波）之間在性質(zhì)上的差別。
在這里，我們一方面整理白噪聲的性質(zhì)和正弦波的性質(zhì)，一方面解說(shuō)為什么鎖相放大器會(huì)具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力。

■平坦的頻譜

在寬闊的頻率范圍內(nèi)，該信號(hào)具有幾乎相同的頻譜。信號(hào)的瞬時(shí)電平成為預(yù)測(cè)不到的隨機(jī)的值。

■隨著頻帶寬度不同測(cè)量電壓會(huì)改變

在用毫伏計(jì)測(cè)量白噪聲時(shí)，得到的測(cè)量值和白噪聲所具有的頻譜帶寬（BandWidth: B.W.）的平方根以及電平成比例。測(cè)量得到的電壓值，與下圖中的淺藍(lán)色部分的面積成比例。

即使對(duì)于同樣的噪聲，如果用帶通濾波器（BPF）來(lái)限制所通過(guò)的頻帶，那么測(cè)量所得的電壓值就會(huì)不同。

把測(cè)量所得的噪聲電壓（Vrms），除以頻帶寬度的平方根，就得到用表示噪聲大小的單位、也即稱作噪聲電壓密度（V/√Hz）來(lái)衡量的值。頻道寬度如果縮小到1/100，那么測(cè)量所得的噪聲電壓就縮小到1/10。

下面，讓我們來(lái)看一看正弦波的性質(zhì)！

■頻譜非常集中

1kHz正弦波信號(hào)的頻譜，只存在于1kHz的位置，其他地方的頻譜的電平都為零。

■與頻帶寬度無(wú)關(guān)，測(cè)量所得電壓保持一定的值。

因?yàn)轭l譜是集中分布的，所以不受頻帶寬度的影響，測(cè)量所得的電壓保持一定的值。但是，必須要使信號(hào)頻率存在于所取的頻帶之內(nèi)。

用交流電壓表所測(cè)量的電壓值，與頻帶寬度無(wú)關(guān)，是上圖中的V。

那么，在正弦波上疊加了白噪聲以后會(huì)怎么樣呢？

即使白噪聲與正弦波進(jìn)行加法運(yùn)算所得的信號(hào)，測(cè)量所得的電壓對(duì)于頻帶寬度所具有的各種性質(zhì)也不會(huì)有變化。
所以，當(dāng)帶通濾波器的頻帶寬度變狹窄時(shí)，就會(huì)有以下結(jié)果：

1. 想要測(cè)量的信號(hào)的電平不變；
2. 白噪聲的強(qiáng)度減�。�
3. 交流聲等頻率不同的成分也當(dāng)然被削弱。

從以上這些結(jié)果可知，為了測(cè)量被噪聲所掩埋的信號(hào)，應(yīng)該將帶通濾波器的頻帶寬度變窄。
如果將頻帶寬度縮小到1/N，那么噪聲就減小到1/√N，而信號(hào)卻不改變，其結(jié)果SN比（信噪比）改善為1/√N。

但是，這樣的帶通濾波器也是有一個(gè)限度的。

為了說(shuō)明「鎖相放大器利用了噪聲與目的信號(hào)所具有的不同性質(zhì)，所以不容易受到噪聲的影響」，前面已解說(shuō)了以下幾個(gè)要點(diǎn)：

• 噪聲（白噪聲）的性質(zhì)；
• 正弦波的性質(zhì)；
• 從白噪聲與正弦波合成的信號(hào)中，使用帶通濾波器可以使目的信號(hào)（正弦波）從噪聲中浮現(xiàn)出來(lái)。

■使通帶變狹窄的限度

使用帶通濾波器只讓想要測(cè)量的頻率信號(hào)通過(guò)，可以抑制噪聲，讓目的信號(hào)浮現(xiàn)出來(lái)。
但是，使帶通濾波器的通帶寬度變窄，這也是有限度的。

在帶通濾波器中，中心頻率與通帶寬度的比值稱作Q值，作為衡量帶通濾波器的濾波尖銳程度的一項(xiàng)指標(biāo)來(lái)使用。
Q值越大，通帶寬度就越窄，抑制噪聲的能力就越強(qiáng)。但是，一般的濾波器所能夠?qū)崿F(xiàn)的Q值，大約在100左右。對(duì)于1kHz的中心頻率，相應(yīng)的通帶寬度的限界大約在10Hz左右。Q值不能任意增大的原因，在于組成濾波器的零部件的精確度和時(shí)間/溫度的穩(wěn)定性是有限的。

Q（中心頻率/通帶寬度）

中心頻率

帶通濾波器

100左右 (10Hz@1kHz)

固定（不容易改變）

鎖相放大器

～10⁷ 左右 (0.1mHz@1kHz)

追隨測(cè)量信號(hào)

鎖相放大器用特殊的方法，使Q提高到約為10⁷ （通常的帶通濾波器約為100左右），而且實(shí)現(xiàn)了一種特殊的帶通濾波器，能夠自動(dòng)地將中心頻率跟蹤和保持在測(cè)量頻率上。