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摘要

锁相放大器可同时在时间与幅度两个维度实现高精度信号测量, 是精密系统测控的关键部件. 本文以锁相放大器的概念、技术与应用的概貌作为导引, 先以模拟、数字以及虚拟锁相放大器的主要关系与区分方法说明锁相放大器的发展演变, 继而按照锁相环的阶与型从数学角度对锁相放大器进行分类. 随后介绍锁相放大器的幅度、频率与相位噪声等主要性能的测试流程与计量标定进展, 讨论相位噪声、时域抖动、阿伦方差等关键指标之间的换算关系以及和幅度噪声之间的耦合关联. 最后, 列举锁相放大器在光谱增强、阻抗分析、磁性测量、显微成像、空间探测领域的应用形式与效果, 通过一些新型应用展望它通过智能计算、精准物联等途径从科学仪器走向工业甚至民品的前景.

关键词:

Abstract

The lock-in amplifier can perform high-precision measurement in both time and amplitude dimensions, so that it becomes a key component of instrumental system for precision measurement and control. This article overviews the concept, technology, and application of phase-locked amplifiers as a guide. It first explains the development and evolution of phase-locked amplifiers of analog, digital, and virtual phase-locked amplifiers, demonstrating their relationship and differences. Then, it classifies phase-locked amplifiers from a mathematical perspective based on the order and type of phase-locked loops. Subsequently, the testing process and metrological calibration progress of the main performance of phase-locked amplifiers, such as amplitude, frequency, and phase noise, are introduced. The conversion relationship between key indicators such as phase noise, time-domain jitter, Allan variance, and the coupling relationship with amplitude noise are discussed. Finally, the application forms and effects of phase-locked amplifiers in the fields of spectral enhancement, impedance analysis, magnetic measurement, microscopic imaging, and space exploration are listed. Through some new applications, the prospects of their transition from scientific instruments to industrial and even civilian products through intelligent computing, precise IoT, and other means are briefly given.

Keywords:

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更正: [必威体育下载 2023, 72(22): 224206]

郭忠凯, 李永刚, 于博丞, 周世超, 孟庆宇, 陆鑫鑫, 黄一帆, 刘贵鹏, 陆俊. . 必威体育下载 , 2023, 72(22): 224206. doi:10.7498/aps.72.249901

作者及机构信息

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2.
3.
4.
5.

通信作者:陆俊,lujun@iphy.ac.cn

基金项目:国家重点研发计划(批准号: 2021YFF0701000)资助的课题.

Authors and contacts

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4.
5.

Corresponding author:Lu Jun,lujun@iphy.ac.cn

Funds:Project supported by the National Key R&D Program of China (Grant No. 2021YFF0701000).

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国外	Standford	SR830	$1\ {\rm{mHz}} — 102\ {\rm{kHz}}$	256 kSa/s	87 μrad	6	100	1980
	Research (美国)	SR865A	$1\ {\rm{mHz}} — 4\ {\rm{MHz}}$	1.25 MSa/s	1.7 μrad	2.5	120	2015
	Zurich	HF2LI	$\rm{DC} — 50\ {\rm{MHz}}$	0.5 MSa/s	>17 nrad	5	120	2008
	Instrument	UHFLI	$\rm{DC} — 600\ {\rm{MHz}}$	1.6 MSa/s (LAN)	>17 nrad	4	100	2013
	(瑞士)	SHFLI	$\rm{DC} — 8.5\ {\rm{GHz}}$	1.6 MSa/s (LAN)	>17 nrad	4	100	2022
	Liquid	Moku:Lab	$1\ {\rm{kHz}} — 200\ {\rm{MHz}}$	1 MSa/s	1 nrad·Hz^–1/2	30	120	2017
	Instrument (澳洲)	Moku:Pro	$1\ {\rm{kHz}} — 300\ {\rm{MHz}}$	10 MSa/s	1 nrad·Hz^–1/2	20	120	2021
	AMETEK (美国)	Signal	$1\ {\rm{mHz}} —250\ {\rm{kHz}}$	1 MSa/s (典型)	1.7 μrad	5	100—120	1999
	AMETEK (美国)	Recovery 7265	$1\ {\rm{mHz}} —250\ {\rm{kHz}}$	1 MSa/s (典型)	1.7 μrad	5	100—120	1999
	NF(日本)	LI5660	$0.5\ \rm{\; Hz} — 11\ {\rm{MHz}}$	1.5 MSa/s	17 μrad	4.5	100	2018
国内	赛恩科仪	OE1022	$10\ \text{μ} {\rm{Hz}} — 250\ {\rm{kHz}}$	1 MSa/s	> 17 nrad	2.5	120	2012
	赛恩科仪	OE2041	$10\ \text{μ} {\rm{Hz}} — 60\ {\rm{MHz}}$	1 MSa/s	> 17 nrad	2.5	120	2020
	国仪量子	LIA001M	${\mathrm{DC}} — 1\ {\rm{MHz}}$	N.A.	> 170 nrad	2.5	120	2021
	南京鸿宾	HB293(JD-1)	$1\ \rm{\; Hz} — 100\ {\rm{kHz}}$	N.A.	N.A.	3	140	~1980

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Research progress of lock-in amplifiers

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郭忠凯, 李永刚, 于博丞, 周世超, 孟庆宇, 陆鑫鑫, 黄一帆, 刘贵鹏, 陆俊. . 必威体育下载 , 2023, 72(22): 224206. doi:10.7498/aps.72.249901

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通信作者:陆俊,lujun@iphy.ac.cn

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郭忠凯, 李永刚, 于博丞, 周世超, 孟庆宇, 陆鑫鑫, 黄一帆, 刘贵鹏, 陆俊. . 必威体育下载 , 2023, 72(22): 224206. doi:10.7498/aps.72.249901

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