随着科技的进步，人们想要了解的现象越来越精细、想测量的信号也越来越微弱。多亏有了锁相放大器（phase lock-in amplifier），如今即使噪声比信号强过数个数量级，我们仍然可以从极其嘈杂的环境中提取具有已知载波的调制信号。

试想我们应该如何从杂乱无章的噪声中提取我们所需的信号？最直观的线性放大器能够将很小的信号放大，却同时也将噪声放大。如果再加上一个针对信号频率的滤波器滤除其他频率的噪声，看似可以解决不少问题，然而若是滤波器带宽太大，信号频率附近的噪声还是会一起输出，甚至掩盖信号，想要实现极窄的滤波器带宽又是另一个十分复杂的技术难题。

锁相放大器应用了相敏检测（phase-sensitive detection, PSD）的技术，可以测量非常微弱的连续周期性信号。相对于噪声，连续周期性信号具有固定的频率和相位，相敏检测技术针对这个特性，利用具有同样频率的参考信号来抽取目标的周期性信号，便可以大大降低噪声的影响。

在实际操作中，我们需要产生一个具有特定频率ω_r的参考信号作为载波（使用函数发生器或其他方法），并用此信号对目标信号进行调制，使目标信号具有相同的频率。我们可以将调制过的信号表示为V_sig sin(ω_rt+Θ_sig)，其中V_sig为信号强度、Θ_sig为相位。同时，锁相放大器根据输入的参考信号，产生一个内部本振信号V_loc sin(ω_Lt+Θ_loc)。将这两个信号相乘，我们将得到两个频率分别为(ω_r+ω_L)和(ω_r-ω_L)的交流信号：

由于ω_r=ω_L，此信号经过低通滤波器后，我们会得到一个直流信号：

若要稳定获得信号，和 Θ_loc之间的相位差必须始终保持一致，这需要由锁相放大器中的锁相环（phase-lock loop）来动态锁定外部参考信号，确保内部信号的频率与外部参考信号的频率相同（即ω_r=ω_L），并维持固定的Θ_sig-Θ_loc相位差。

一个典型的锁相放大器工作原理

锁相放大器经过相敏检波后的低通滤波器的参数选择也很重要。低通滤波的作用不仅仅是过滤掉上述的合频信号，同时也决定着进入到解调结果输出的噪声带宽。因此，一般的锁相放大器的低通滤波器带宽是可以调整的，带宽愈小，输出噪声愈小，解调信噪比越高，但是，若是滤波带宽调整得过低，可能会使解调信号的高频部分衰减，造成信号失真。在早期的模拟电子锁相电路中，低通滤波器的带宽调整是由电容的积分时间来决定的。现代的锁相放大器多是由数字电路（滤波器）来实现，用积分时间这个指标来表示滤波器带宽的传统，仍然保留至今。

锁相放大器在TDLAS技术中的应用

昕虹光电深耕于可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，简称 TDLAS）技术 ，是一种利用分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理，实现高分辨率的分子浓度定量分析技术。TDLAS通常与波长调制光谱技术（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）结合应用，通过选择调制频率来抑制激光噪声和光电探测器电子噪声，再利用相敏锁相检测技术（即锁相放大），得到与被测气体浓度成正比的谐波信号，从而有效提高测量系统的灵敏度。

面对TDLAS系统中对锁向放大气的需求，昕虹光电HPLIA微型双通道调制解调锁相放大器以当今FPGA +ARM单片机的业界流行配置而设计。浮点数数字信号处理的计算任务由FPGA硬件加速完成，而结果数据采集和上位机交互由ARM单片机处理。为了提高性价比，系统以独立双输入输出通道为原则设计，从而在单板上实现双路锁相通道的应用。比如，一路通道可用作测量信号，而另一路可用作参考信号；亦或一路做一次谐波解调，而另一路做二次谐波解调。考虑用户使用上的便利性，HPLIA集成了信号发生功能，同时作为调制信号（上文中载波）和内部参考信号，无需锁相环便可以保证两路信号同频同相。