如何用锁相放大器处理直流信号

经常有用户想了解如何用锁相放大器测量和处理直流信号。常见的需求是对直流信号进行产生和自动扫描，降噪提取，放大输出等操作。因为这属于相对特殊的应用，在进行参数设置时需要注意的地方比较多。在 Jelena 的博文中介绍了用 HF2LI 检测直流信号。在这篇博文中，我将以 MFLI 为例，为大家介绍如何实现这些功能和如何优化参数设置。作为理解参数设置的基础，我们先简要回顾锁相放大器的基本原理。如果想系统学习锁相放大器的原理，可以阅读原理详细介绍, 观看教学视频。

锁相放大器基本原理

直流偏置产生和测量

直流偏置扫描

在应用中，常需要扫描直流偏置，查看系统响应（不限于直流）的变化，进而确定合适的直流偏置。我们的仪器提供参数扫描工具 Sweeper。它可以扫描多种信号参数，比如信号频率，幅度，直流偏置等。需要扫描直流偏置时，把 Sweeper Param 设置为 Output Offset 即可。在设置完扫描起始 Start 和结束 Stop 点后，我们需要调节输出量程 Output Range 和输入量程 Input Range。一方面，要确保量程足够大，信号（叠加了交流成分后）不会被削峰，另一方面不宜过大，导致信噪比变差。我们提供多种方式对参数进行扫描，比如，二值、双向和反向。双向扫描 Bidirection 模式下扫描可实现测试参数的回环变化，方便我们测量迟滞效应等。在扫描起始点和结束点区间内，测试点的分布方式 X Distribution 有线性（等步长）和对数（等比例）两种。下一步，我们就可以调节扫描的速度。单次扫描需要的时间主要取决于两个参数：测试数据点的数量 Length，在单个数据点测试停留的时间。停留时间长，那么测试的准度就高。停留时间主要可以通过调节解调参数来设置。如 Figure 4 所示，在 Settings 界面，我们可以选择固定低通滤波器的带宽，也就是说，在不同的测试点，带宽保持不变。如果我们不关注直流响应，而是其他高频信号随直流偏置输出变化的情况，那么带宽的设置就能够更高些，不受制于直流检测需要的低带宽。

直流偏置检测后输出

我们的锁相放大器都有4个辅助输出 Aux Output 端口，可以自定义输出的信号，有手动模式 Manual 和非手动模式。如 Figure 5 所示，在 Manual 模式，我们可以直接设定一个输出值，这个信号也可以与仪器信号输出口 Signal Output 上的交流信号叠加，详见 Bruno 的博文。与输出端相比，辅助输出的量程是不可调的，固定在 ±10V。Lower Limit 和 Upper Limit 仅用来进行限制输出范围，通常用于保护与它相连的接收端，与量程无关。 在非手动模式，我们可以选择，比如解调器1的 Y 信号为辅助输出1的信号源。我们在使用辅助输出时，通常需要对信号进行缩放。放大更常见，主要目的是要提升输出的信噪比。因为辅助输出的量程是固定的，为了在数字转模拟时充分利用数字位，所以会对信号进行放大以接近输出量程。仪器允许对信号进行两次偏置设置， 在数字域内，Output = (Signal + Preoffset)*Scale + Offset。Preoffset 是为了减去信号中较大的直流基线，通常我们在意的是信号的变化量，操作后方便我们查看变化量。Offset 常用来调节信号的幅度，以匹配信号接收端的参数，比如触发阈值等。

总结，这篇博文总结了我们的锁相放大器 MFLI 处理直流信号的能力，包括信号的产生，检测，扫描和放大输出等。安装了 PID 反馈控制选件后，我们也可以用 PID 反馈控制器调控直流偏置或用检测到的直流偏置来反馈控制其它信号参数。这里我们以 MFLI 为例，但是因为我们的仪器控制软件 LabOne 内不同型号的锁相放大器的界面几乎相同，所以这些设置也几乎一样。