一、什么是相敏检测？
锁相测量需要一个频率参考。通常实验会以固定频率(来自光学切割器、振荡器或函数发生器)激发，并且锁相器在参考频率下检测实验的响应。在下图中，参考信号是频率为fref的方波。这可能是来自函数发生器的同步输出。如果使用函数发生器的正弦输出来激发实验，则响应可能是下面显示的信号波形。信号为Vsig sin(ωref t + θsig)，其中ωref = 2πfref，Vsig是信号幅值。
大多数锁相放大器都配有内置源，可以生成自己的频率为fL的正弦波(见下面的锁相放大器参考)。锁相放大器的参考信号为sin(ωLt + θref)，其中ωL = 2πfL。
锁相放大器放大输入信号，然后使用相敏检波器(PSD)或乘法器将其与参考信号相乘。PSD的输出简单地是两个正弦波的乘积。
Vpsd = Vsig ([sin(ωrt + θsig)] × [sin(ωLt + θref)])
= 1/2 Vsig cos([ωr − ωL]t + [θsig − θref]) − 1/2 Vsig cos([ωr + ωL]t + [θsig + θref])
PSD的输出是两个交流信号，一个是差频率(ωr − ωL)，另一个是和频率(ωr + ωL)。
如果将PSD输出通过一个低通滤波器，交流信号会被去除。剩下的会是什么?在一般情况下，什么也不剩。然而，如果ωr等于ωL，差频率分量将是一个直流信号。在这种情况下，滤波后的PSD输出将是Vpsd = 1/2 Vsig cos(θsig − θref)这是一个非常不错的信号，它是一个比例于信号幅值的直流信号。
二、窄带检测
现在假设输入信号由信号和噪声组成。PSD和低通滤波器只能检测到频率非常接近锁定参考频率的信号。频率远离参考点的噪声信号在通过低通滤波器后会在PSD输出中被削弱(ωnoise-ωref和ωnoise+ωref都不接近直流)。非常接近参考频率的噪声会导致PSD的非常低频AC输出(|ωnoise -ωref|很小)。它们的衰减取决于低通滤波器的带宽和滚降。
更窄的带宽将消除非常接近参考频率的噪声源，更宽的带宽则允许这些信号通过。低通滤波器的带宽决定了检测带宽。只有参考频率处的信号会产生真正的直流输出，并且不会受到低通滤波器的影响。这就是我们想要测量的信号。
三、锁定参考从何而来?
我们需要使锁相参考信号与信号频率相同，即ωr = ωL。不仅频率必须相同，信号之间的相位也不能随时间而改变，否则cos(θsig - θref)将会改变，Vpsd将不再是直流信号。换句话说，锁相参考需要与信号参考相位锁定。
锁相放大器使用相锁环路(PLL)来生成参考信号。外部参考信号(在这种情况下是参考方波)提供给锁定器。锁相放大器中的PLL将内部参考振荡器“锁定”到这个外部参考信号上，产生一个带有固定相位偏移θref的ωr参考正弦波。由于PLL主动跟踪外部参考，外部参考频率的变化不会影响测量结果。
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