同步检波器助力精密低电平测量

简介
同步检波器可提取淹没在噪底内的小信号，用于进行各种物理量测量，例如极小的电阻、明亮背景下的光吸收或反射量，或者存在于高噪声电平下的应变。

在很多系统中，随着频率趋近于零，噪声会不断增加。例如，运算放大器具有1/f 噪声，而光学测量易受因环境光条件变化而产生的噪声影响。在远离低频噪声处进行的测量可提高信噪比，从而可检测到较弱信号。例如，将光源调制到几千赫兹有助于测量原本会淹没在噪底内的反射光。图1 显示了调制技术如何恢复原本低于噪底的信号。

图1. 通过调制使信号远离噪声源

调制激励信号的方法有多种。最简单的方法是重复打开、关闭。在驱动LED、为应变计电桥供电的电压源和其他类型激励时，这种方法很有效。而对于光谱仪器上使用的白炽灯泡和其他不易开关的激励源，可通过使用机械快门截断光线来实现调制。

窄带带通滤波器可滤除目标频率以外的所有其他频率，使原始信号得以恢复，但使用分立元器件设计所需的滤波器可能很难。另一种方法是考虑使用同步解调器，该器件可将调制信号恢复至直流，同时抑制与参考信号不同步的各信号。运用这种技术的设备称为锁定放大器。

图2 显示了一个简单的锁定放大器应用。用一个调制为1 kHz 的光源照射测试表面。再由光电二极管测量测试表面反射的光线，其强度与表面的污染程度成比例。参考信号和测量信号都是正弦波，并且频率和相位相同，但幅度 不同。驱动光电二极管的参考信号具有固定幅度，而测量信号的幅度会随反射光量而变化。

图2. 使用锁定放大器测量表面污染程度

两个正弦波相乘所得的结果是一个具有和频与差频形式频率分量的信号。这里，两个正弦波具有相同的频率，因此结果是一个直流信号和一个两倍于原始频率的信号。负号表示它具有180°的相移。低通滤波器会滤除信号中直流分量以外的所有分量。

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考虑有噪输入信号时，运用这种技术的优势将变得非常明显。相乘只会使调制频率的信号移回直流，所有其他频率分量则移至 其他非零频率。图3 显示了一个具有50 Hz 和2.5 kHz 高噪声源的系统。微弱的目标信号采用1 kHz 正弦波进行调制。输入信号与参考信号相乘所得到的是一个直流信号，以及频率为950 Hz、1050 Hz、1.5 kHz、2 kHz 和3.5 kHz 的其他信号。直流信号包含所需的信息，因此可使用低通滤波器滤除其他频率。

图3. 同步解调在有50 Hz和2.5 kHz强噪声源的情况下拾取1 kHz弱信号

接近目标信号的任何噪声分量均会出现在接近直流的频率上，因此必须选择附近没有强噪声源的调制频率，这点非常重要。如果无法做到这一点，则需要使用截止频率极低且响应敏锐的低通滤波器，但代价是建立时间较长。

实用锁定实现方案
生成正弦波来调制信号源可能不切实际，因此有些系统会改用方波。生成方波激励要比生成正弦波简单得多，使用简单的装置（诸如可切换模拟开关或MOSFET 的微控制器引脚）即可实现。

图4 显示了一种实现锁定放大器的简单方法。由微控制器或其他器件生成促使传感器作出响应的方波激励。第一个放大器是跨导放大器（用于光电二极管）或仪表放大器（用于应变计）。

用于激励传感器的信号还用于控制ADG619 SPDT 开关。当激励信号为正时，放大器配置为增益+1。当激励信号为负时，放大器配置为增益-1。这在数学上相当于将测量信号乘以参考方波。输出RC 滤波器会滤除任何其他频率的信号，因此输出电压是直流信号，大小等于测量方波的峰峰值电压的一半。

图4. 使用方波激励的锁定放大器

虽然电路比较简单，但选择正确的运算放大器非常重要。交流耦合输入级可滤除大部分的低频输入噪声，但不会滤除1/f 噪声和最后一个放大器产生的失调误差。ADA4077-1 精密放大器在0.1 Hz到10 Hz 范围内具有250 nV p-p 噪声以及0.55 μV/ °C的失调漂移，因此非常适合此应用。

基于方波的锁定放大器比较简单，但其噪声抑制性能及不上使用正弦波的锁定放大器。图5 显示了方波激励和参考信号的频域表示。方波由基波和所有奇次谐波的正弦波无穷和构成。将两个同频方波相乘需要将参考信号的每个正弦分量乘以测量信号的每个 正弦分量。所得到的是包含方波的每个谐波能量的直流信号。奇次谐波频率下出现的干扰信号不会被滤除，不过会有所减弱，具体取决于其所处的谐波。因此，选择 调制频率时应确保其谐波不是任何已知噪声源的频率或谐波，这点非常重要。例如，要抑制线路噪声，应选择1.0375 kHz 的调制频率（不会与50 Hz 或60 Hz的谐波