张国浩,陈宜保,张晓平

（1.清华大学工程物理系，北京 100084；2.清华大学物理系，北京 100084）

0 引 言

锁相放大器是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器，它作为一种信号恢复仪器，在弱信号测量中的重要作用已经引起人们越来越广泛的重视。锁相放大器可以精确地测量被噪声埋没的极小信号，即使信号比噪声小1000倍仍能测得。在电子学、信息科学、光学、电磁学、低温物理等许多领域，越来越需要测量深埋在噪音中的微弱信号[1-10]。

锁相放大器的核心部分是相敏检波器（phasesensitive detector），它实际上是一乘法器[1-6]。在信号测量和处理中，方波、矩形波、三角波和正弦波是经常使用的信号波形。方波信号本身包含了复杂的频谱，采用方波或矩形波作为信号源信号对扩展了解锁相放大器原理，特别是在不同占空比条件下锁相放大器直流输出特性有帮助。实验讨论了矩形波（占空比为0.5时为方波）作为信号源时锁相放大器直流输出的特性。

1 实验基本原理

1.1 锁相放大器基本原理

锁相放大器中原理涉及的相关检测器见图1所示，它是锁相放大器的心脏。

图1 锁相放大器原理图

相敏检波器的参考输入端加一个与被测信号频率相同的方波信号（或直接由被测信号触发），由差分触发产生方波信号，经移相器移相后与输入信号在乘法器叠加。经低通滤波器后，PSD输出信号中的交流成分被滤去，只有直流成分uD被输出。uD的大小与输入信号和参考信号之间的相位差φ有关。

1.2 PSD直流输出与矩形波信号占空比的关系

参考信号的方波ur，幅值为1，用傅里叶级数展开，则方波的表达式[4]为