1962年美国EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身) 的台锁相放大器(Lock-in Amplifier，简称LIA)的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，极大地推动了基础科学和工程技术的发展。目前，微弱信号检测技术和仪器的不断进步，已经在很多科学和技术领域中得到广泛的应用，未来科学研究不仅对微弱信号检测技术提出更高的要求，同时新的科学技术发展反过来促进了微弱信号检测新原理和新方法的诞生。

　　早期的LIA是由模拟电路实现的，随着数字技术的发展，出现了模拟与数字混合的LIA，这种LIA只是在信号输入通道，参考信号通道和输出通道采用了数字滤波器来抑制噪声，或者在模拟锁相放大器（简称ALIA）的基础上多了一些模数转换（ADC）、数模转换（DAC）和各种通用数字接口功能，可以实现由计算机控制、监视和显示等辅助功能，但其核心相敏检波器(PSD)或解调器仍是采用模拟电子技术实现的，本质上也是ALIA。直到相敏检波器或解调器用数字信号处理的方式实现后，就出现了数字锁相放大器（简称DLIA），DLIA比ALIA有许多突出的优点而倍受青睐，成为现在微弱信号检测研究的热点，但是在一些特殊的场合中，ALIA仍然发挥着DLIA不可替代的作用。

　　我们欲使 锁相放大器 中可准确的输出1V的电压，精准的量测 I+与I-间待测样品的特性。所以量测前必须做好校正工作。校正步骤如下：

　　1.待测样品量测前，可先用电表量测待测物的电阻，再判断量测时所须之电流大小，这的步骤很重要，一旦判断错误，使用的电流太大会烧坏样品。

　　2.准备一校正用电阻盒，盒内有一组可变电阻(1MΩ、10MΩ、100MΩ、1GΩ)和一用来校正电流的精密电阻 10KΩ(假设样品电阻为 10KΩ)3. 锁相放大器(1) 先将 锁相放大器 的 sensitivity 先调到，再按照 锁相放大器 校正接线图(如图二)接线。

　　(2) 假设需要量测电流为 10-7A，可变电阻选择 10MΩ，看电表显示的数值，再将 锁相放大器 的 sensitivity 调至适当的档位(1mV)，直到电表显示数值接近10V(电表看到的数值是 锁相放大器将输出电压放大 10倍的结果)。

　　(3) 输出实际讯号大小(OSC  LvL)设定为 1V，频率(OSC  F)调整至与 60互质的数(例如：23)，为避免受周围环境杂讯的干扰，调整讯号的相位(REFPH)，将虚部讯号(讯号相位 90o)调整至接近0-V、虚部讯号(讯号相位 270o)调整至接近 0+V，实部讯号(讯号相位 0o、180o)调整至 10V。数值表示如下表

　　锁相放大器是以相干检测技术为基础，利用参考信号频率与输入输入信号频率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声中提取出有用信号，使得测量精度大大提高，而它的核心部件为相敏检测器（phase sensitive detector，简称PSD，又称相关器），图1所示为锁相放大器的原理框图。

　　图1锁相放大器原理图

　　相敏检测器是由乘法器和积分器组成，其中乘法器一般采用开关乘法器，积分器通常由低通滤波器组成，图2给出相敏检测器的构成原理图。

　　图2相敏检测器原理图

　　一. 模拟锁相放大器（ALIA）

　　SIGNAL RECOVERY公司的5209 、5210和5105、5106型是通用的ALIA，图是其典型的结构，主要由信号输入通道、参考输入通道、相敏检波器和正交相敏检波器、输出通道、微处理器和辅助数字部分组成。输入通道包括信号输入、低噪声前置放大、电流电压转换、放大和组合滤波器。信号输入有三种方式：单端电压输入，差分电压输入和电流输入方式，可以适应被测信号为电压和电流两种形式。在被测信号为电压信号的情况下，单端电压输入方式是常用的方式，如果信号中存在共模干扰信号，就采用差分输入方式。低噪声前置放大器的增益可调，也可根据频率和源阻抗选择最小噪声因子的外接低噪声前放或阻抗匹配变压器，滤波器组主要分为陷波滤波器、组合滤波器，陷波滤波器是滤除工频及其二次谐波的干扰；组合滤波器可灵活组成低通、高通、带通和陷波四种模式。参考输入通道由参考触发、内部时钟、可调相移器和90o固定相移器组成0~370o可变移相。参考输入可用外部输入，或内部时钟信号（也可输出用作被测信号的同步调制），由于参考触发整形电路的存在，只要求外部参考信号在一个周期内有两个过零点并且有一定的幅度，这意味着方波、三角波和其它信号，以及如TTL信号或逻辑电平等，都可以像正弦信号一样作为参考信号使用；内部时钟产生内部相位开关来驱动相敏检波器和正交相敏检波器，使仪器运行于正交的双相ALIA模式。相移器的调节使输入信号与参考信号的相位差为零。在双相位ALIA中，90o相移器输出一个与输入信号正交的参考信号，用来驱动两个相敏检波器，同样通过后续的低通滤波器，分别检测被测信号，经过直流放大器由电压表显示其结果。

　　二. 数字锁相放大器（DLIA）

　　如果LIA的相敏检波器（或同步解调器）是用数字信号处理的方式实现的，就成为DLIA。SIGNAL RECOVERY公司提供了多种的、系列的DLIA，如7210、7225、7225BPF、7265、7280和7280BFP等，其原理如图2所示。一般的结构包括以下一些部分，即信号输入通道、参考输入通道、数字相敏检波器、正交数字相敏检波器、数字低通滤波器、输出通道、辅助输入通道、输出微处理器、辅助输出通道和微控制器部分。其中信号的输入通道与ALIA相同，只不过是交流放大必需保证转换为数字信号时有足够大的幅值。抗混叠滤波器是模拟信号数字化之前所要考虑的，其作用是滤除不需要的频率信号，并将要数字化的信号在不失真前提下将其频率上限限制在采样频率的一半以下，避免ADC的信号出现虚假信号，即主ADC的采样频率必须满足采样定律。被转换后的数字信号被送入数字信号处理器（DSP）中，依据一定的算法完成相敏检波器的功能，再通过数字低通滤波器后获取差频后的直流信号。参考通道以信号输入通道相同的采样速率提供数字相敏检波器所需要的相位信息，参考输入通道同样有内部和外部参考信号两种。在外部参考信号模式下，输入的模拟参考信号或逻辑电平，被一个DSP单元采用数字锁相环算法测量其频率，并产生所需要的相位信号。在内部参考信号的模式下，只需要给参考DSP单元输入所需要的参考信号频率值，就可以在所选定的频率上产生数字相敏检波处理单元所需要的相位信号，这种方式不需要外部参考信号和ALIA所需要的相位锁相环，因此不需要时间锁相就可直接输出相位信号，降低了相位噪声。参考通道中的n倍频器不仅可以在与输入信号相同的频率上进行锁相，而且还可以在输入信号的n倍谐频上进行锁相检测，这在俄歇光谱学等领域中是非常有用的，但是n倍频后频率是受参考频率限制的。参考信号处理单元也可实现数字参考相移，其精度可达到毫度。同相相位和正交相位信号在数字处理单元中一般通过查询的方式实现，可以使同相相位信号和正交相位信号同时提供给两个数字解调器，使输出的两个分量能同步输出。输出通道中的数字低通滤波器，可以减小模拟滤波器的截止频率不稳定所造成的误差。输出DAC将数字信号转换为模拟信号输出，输出处理单元可以通过和的平方根算法和除法算法计算出被测信号的幅值和相位。输出微处理器可以对从辅助ADC的数字信号进行必要的运算，在通过DAC转换为模拟信号输出或数字显示。另外DLIA还包括一个微控制器，该微处理器有辅助数字输出、数字显示，键盘通讯，IEEE-488通讯和RS233通讯功能。

　　与ALIA相比，DLIA有以下优点：

　　（1）由于DLIA在输出通道中没有直流放大器，可以避免直流放大器的工作特性随时间变化的不稳定性和由于温度变化引起的温度漂移带来的干扰，这是ALIA不可解决的问题之一；

　　（2）DLIA的内部晶振时钟源随时间和温度变化小，用这种稳定性高的时钟源来做调制信号和参考信号能降低参考信号的不稳定所带来的误差，同时在内部参考模式中，数字信号处理单元能在最短时间甚至能不需要延时就能完成锁相功能，尤其在频率扫描测量中有其明显的优点；

　　（3） 如果被测信号有较强的正交性，采用DLIA的高性能的正交解调技术，使微弱信号检测精度能得到很大程度上的提高；

　　（4）随着技术的发展，数字信号处理单元的性价比提高，使DLIA的性价比也得到相应的提高，数字锁相技术将会更深入地影响未来的测量技术。