国产新锁相的原理研究与技术开发取得重要进展

作者: 小林绿子

来源: 中科院物理所

发布日期: 2020-07-21 11:16:35

中国科学院物理研究所的陆俊副主任工程师在锁相放大器的原理研究与技术开发方面取得了重要进展,通过改进算法和跨平台技术,成功研制出具有高精度和低噪声的国产新锁相样机。

相位不仅是信息科学与工程技术中被广泛应用的基本参数,也是物质科学中影响深远的概念,可作为系统的整体状态演化的重要指示量,被杨振宁先生认为跟对称性与量子化并列属于20世纪物理学中的三大发展主旋律。相位锁定技术是1932年“相干通讯”的发明基础上演变而来,后来成为时间维度维持同步的重要“锁相环”方法。

从时间维度同步拓展到信号强度维度,基于相敏检波将较高频率的交变幅度信号下变频到较低频率抑制了噪声的信号,形成在微弱信号测量中通常必不可少的锁相放大器。锁相放大器本质上是超窄带滤波器,提取埋在噪音中哪怕是微弱到纳伏的交流信号的幅值和相位是其独特优势,具备极高的频域分辨能力。国家统计局数据显示,锁相放大器2018年国内市场销售额约10.7亿元人民币,其中85%以上从美国、瑞士和日本进口。

近些年中山大学的国产锁相放大器性能跟进口主流品种相比已不逊色,在市场上受用户认可度也越来越高。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室公共技术组陆俊副主任工程师长期进行锁相放大器从原理到应用场景的研究,并积累产生了一系列的技术成果。

陆俊逐步改进算法并在近两年产生突破,经过理论推导出单周期信号的锁相频谱在估计频点附近的局部函数形式并用三点拟合进行测频,避免经验抛物线函数的偏差问题,精度达到统计理论限值。设计好测频新锁相算法后,陆俊通过协作企业研创达公司实现了从电路设计、FPGA编程、ARM嵌入式与上位机跨平台方案,最终融合模拟与数字电路技术形成国产新锁相样机。

新锁相在1秒积分时间1 kHz频点测量的底噪是1nV/√Hz;测频精度在10 kHz处能达到1 ppb(十亿分之一)。相关研究成果发表在近期的《科学仪器评论》杂志上。

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