锁相放大器是一种通过将测量信号与参考信号进行比较来测量频率ω S = 2πf S的周期信号的幅度AS和相位θ的技术。这种技术称为相位敏感检测(PSD)。
该方法可以通过对检测到的信号进行一段时间内的平均值，将信号的信噪比(SNR)提高几个数量级。锁相放大器能够高精度地检测小信号，因此成为信号再现的常用工具。对于信号再现和相敏检测，待测信号由窄带滤波器隔开，从而降低噪声对被测信号的影响。
图1显示了基本的测量设置。参考信号Vr也提供给被测器件。该参考信号在典型非线性器件中因衰减、放大、相移和失真而变形，V S = A S COS (Ω S T + θ S) + 谐波分量 这将是一个信号。
图1使用摇滚放大器进行基本测量设置
实际上，锁相放大器使用混频器和低通滤波器通过带滤波器分离信号，如图2所示。混频器将目标信号分为低频(理想情况下DC：ωS = 0)和高频，低通滤波器切断不需要的高频分量。
图2锁相放大器混频器和低通滤波器概念图
混频器将输入信号VS (t)乘以参考信号Vr (t) = √2 e 
。
其中ω r = 2πf r 表示解调频率(参考信号的频率)，i 表示虚数单位。
它是构成正交解调器组件的SIN和COS信号(90°相移)的复杂表示，允许测量测量信号的幅度和相位。
原则上，测量信号可以乘以任何频率的参考信号，并且可以在外差模式下工作。
但是，由于锁相放大器的主要目的是使频率尽可能接近直流，因此应选择尽可能接近的测量信号和参考信号的频率。
在文献中，这种方法被称为零差检测、同步检测、零中频直接变换等。
乘法的结果如下所示：
等式 1测量信号 s 和参考信号 r 的乘法
结果具有低频分量(频率 = ω S - ω r)和高频分量(频率 = ω S + ω r)。
解调信号由无限脉冲响应(IIR)RC滤波器进行低通滤波，该滤波器以符号“・”表示。 滤波器的频率响应F(ω)衰减高频分量F( ω S + ω r)，同时衰减低频分量F(ω S - ω r) 透明地。 低通滤波器的另一个功能是进行平均。
等式 2 信号乘法的平均值结果
低通滤波器之后的信号是解调信号X+iY，其中X和Y分别是复平面上显示的实部和虚部。
这些分量也称为同相分量和正交分量。
X和Y到Vs(t)的强度R和相位θ的转换是通过三角函数计算完成的。
值得注意的是，测量信号与信号的RMS值匹配，因此R = A S/√2。
大多数锁相放大器将测量的(X，Y)和(R，θ)值编码为-10 V ~ +10 V，并将其输出到AUX输出端子。
锁相放大器应用
锁相放大器用于各种应用。有时，目标是以良好的信噪比(信噪比)进行信号测量，并且信号是通过较大的滤波器设置完成的。在这种情况下，术语“相位敏感检测”是合适的。
在其它应用中，当信号非常弱并隐藏在噪声中时，需要非常窄的带滤波器设置。在这种情况下，锁相放大器用作信号再现。如果信号以高频(GHz或THz)调制，而使用标准方法无法测量，则可以将其乘以锁相放大器测量频带的较低频率。
此外，当测量微小的、隐藏在1/f噪声、电源噪声或慢漂移中，并在稳定或极低频率下波动的信号时，微弱信号可以在比噪声源高得多的频率下调制，并且可以使用锁相放大器在原始频率下有效地解调和测量。
在许多光学应用中，斩波器、EO调制器、AO调制器等用于将信号调制为高频。
这种方法的优点是它可以转换为噪声水平相对较低的频段，这比简单地对直流信号施加低通滤波器更有效。
图3 埋藏在噪声中的直流信号测量示例
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