在科研与工程实践中，微弱信号的检测始终是一个核心挑战。这些信号通常被背景噪声掩盖，使得传统测量方法难以胜任。锁相放大器（Lock-In amplifier，简称 LIA）作为一种专门为弱信号检测设计的仪器，通过相敏检测（Phase-Sensitive Detection，PSD）技术，能够从噪声环境中提取并放大目标信号。这种能力源于其对信号调制和低通滤波的巧妙结合，使其在物理学、化学、生物医学和工程学等领域中得到了广泛应用。

打个比方，如图1所示，锁相放大器的工作过程就像沙里淘金：首先进行频率锁定——好比洗沙的工作，将目标信号确定在一个范围内；再通过相位锁定进一步聚焦范围，去除多余的噪音，提纯目标信号，将真正的“金子”（有效信号）从“沙子”（噪声）中分离出来。

 

图1 锁相放大器工作原理类比图

通过上面的比喻，相信大家对锁相放大器的功能有了一定的了解，接下来我们通过数学推导的方式来了解如何手搓一个锁相放大器，以及它从噪声环境中提取微弱有效信号的工作过程。

锁相放大器结构

锁相放大器核心技术称为锁相解调（也被称为相敏检测），是一种通过将信号与参考信号进行比较计算测量周期信号的幅度和相位的技术。其基本结构由四部分组成：信号通道、参考通道、相敏检测器（Phase Sensitive Detector，简称 PSD）以及低通滤波器（Low Pass Filter，简称 LPF）。如图 2所示，PSD 将待测信号通道的信号和参考信号通道的信号做乘法运算，再通过一个低通滤波器将高频部分滤除，即可以形成一路完整的单相锁相放大器功能架构。

 

图2 单相型锁相放大器结构图

锁相放大器工作原理及工作过程

输入通道信号：

参考通道信号：

输入信号与参考通道两路信号同时输入 PSD 模块，进行乘法操作，得到输出：

另一方面，从频谱来看，第一部分结果处于直流部分，第二部分在参考信号二倍频点处，
第三部分为原随机信号经过ω频谱搬移，以白噪声为例，搬移结果仍为白噪声。因此，理想状态下，将结果通入低通滤波器，可以得到其直流部分如下：

由上述结果可知，只需要已知或者调解待测信号与参考信号的相位差（α-β），并确定参考信号幅值Αr ,即可得到待测目标信号的幅值Αs。但是实际情况下，很难调整或确定待测信号与参考信号的相位差（α-β）。为了解决这一问题，双相锁相放大器技术应运而生，双相锁相放大器的原理架构图如图3所示。

 

图3 双相型锁相放大器结构图

 

双相型锁相放大器将待测信号分别输入两路相关解调通道，并将其中一路参考信号相
位偏差 90°，即：

待测信号：

参考信号1：

参考信号2：

经计算可得：

令待测信号与参考信号的相位差θ=α-β，可以计算出不依赖于相位差的输出幅值：

通过将输入的微弱信号与两路正交的参考信号进行相关运算，准确地提取出信号的幅度和相位信息。

这种双路正交的设计不仅提高了信号处理的精度和可靠性，还能够有效抑制噪声和干扰，实现对复杂信号的准确分析。正是凭借卓越的抗干扰能力和高精度测量性能，锁相放大器在强噪声背景下依然能够稳定工作，满足各类精密测量对灵敏度与准确性的严苛要求。凭借其核心优势，锁相放大器已广泛应用于科研探索、工业检测及医疗诊断等多个领域，成为现代科技体系中不可或缺的精密测量工具。

典型应用场景

✅ 光谱学测量

锁相放大器与精密测量光路的耦合，比较常见的有斩波调制与电开关调制两种，分别如图4(a)与图4(b) 所示：斩波调制使用机械叶轮对光路进行周期性遮挡实现光信号有无的切换，由于机械转动频率较低，即使采用多叶轮，调制频率也不超过10 kHz^[1，2]；当光源的控制光能通过高速半导体器件耦合进光路系统时，即可实现 1 MHz 以上的高速调制。若配置宽带锁相放大器使用，在同样的测量时间内可实现 20 dB 的信噪比提升^[2-4]。

 

图4 锁相放大器用于光谱信噪比增强的两种光路图 (a) 斩波器调制；(b) 高速电控开关

✅ 电化学阻抗谱

在机械电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）测量过程中，输出的电流极其微弱，一般在几微安到几十微安之间。因此需要使用锁相放大器对其进行放大以提高检测精度[5]。如图5所示，在EIS中，锁相放大器通过对与激励信号同频的响应信号进行提取放大，显著提升了测量精度。

 

图5 采用锁相放大器的阻抗测量系统

 

✅ 空间探测

空间引力波探测的核心技术是测量相距数百万千米的两测试质量间的平动、转动等相对运动。激光外差干涉是实现如此远距离精密测量的有效方法，这一方法必须通过锁相装置对相位信号跟踪分析，方能实现对引力波的测量[6]。在与锁相密切相关的激光外差干涉中，最常用的两种测试光路——单一激光源双光束与主从双激光源跟踪分别如图6(a)与图6(b)所示。单一激光源产生的双光束相干性好，通过声光调制又能将双光束的相位差频移到设定的水平[7]。主从式激光源则需要从光束合路干涉信号中提取出较大范围的频差信号，被用于从激光器腔长的精细调节，来达到跟主激光器的相位跟踪。虽然主从式相位跟踪相对复杂，但对于远距离空间探测必须的中继来说将是非常可行的方案，此时主激光器的光束可能强度较弱，但经过同相位跟踪与再生，即可让探测信噪比得到提升。

 

图6 激光外差干涉采取的两种运用锁相反馈的光路
(a)单激光源输出相位可控的一对激光束；(b)主从双激光源输出一对激光束

 

✅ 医疗诊断

锁相放大器在医疗诊断中具有重要作用，例如基于微流体聚二甲基硅氧烷（PDMS）生物传感器与柔性 PCB 实现的阻抗流式细胞仪平台[8]。如图7所示，由于微流体阻抗流式细胞术需要读取纳伏级的高灵敏度信号，而这些信号低于环境的噪声水平，因此需要在设备中集成一个便携式锁相放大器，将其从噪声中提取出来。由于平台限制，通过精心设计，锁相放大器成功被集成到手腕上设备。

图7 锁相放大器在可穿戴设备上的运用

 

本质上，只要实验涉及从噪声中提取已知频率的微弱信号，或需要精确测量信号的幅度与相位，锁相放大器几乎都是不可替代的最优选择。