同步检波器助力精密低电平测量

ADA4528 的宽带输入噪声为5.9 nV/√Hz，这在输出端表现为118 nV/√Hz，因而总噪音密度为125 nV/√Hz。由于数字滤波器的等效噪声带宽仅为50 Hz，因此输出噪声为881 nV rms。在2.5 V的输入范围内，这会造成系统的动态范围为126 dB。通过调整低通滤波器的频率响应，我们能够以带宽来换取动态范围。例如，如果将滤波器的带宽设置为1 Hz，则动态范围为143 dB，而带宽设为250 Hz 时动态范围为119 dB。

图11. 基于FPGA 的锁定放大器

数字锁相环生成锁定至激励信号的正弦波，激励信号可以在外部或内部生成，并且不必是正弦波。参考正弦波中的任何谐波将 与输入信号相乘，从而解调谐波频率中存在的噪声和其他无用信号，就像将两个方波相乘一样。以数字方式生成参考正弦波的一个优势是，可通过调整数字精度获得 极低的失真性能。

图12 显示了使用4、8、16 和32 位精度以数字方式生成的四个正弦波。显然，使用4 位精度所获得的性能与图5 中的情况差别不大，但是该情况会在使用更高精度后很快得到改善。使用16 位精度时，生成具有如此低总谐波失真(THD)的模拟信号比较困难，而使用32 位精度时，THD 超过–200 dB，这是模拟电路无法比拟的。此外，这些是以数字方式生成的信号，因此完全可以重复生成。当数据转换成数字并输入FPGA 后，将不会增加任何噪声或漂移。

在乘法器之后，低通滤波器将滤除任何高频分量并输出信号的同相和正交分量。由于等效噪声带宽仅为50 Hz，因此没有理由以250 kSPS 的原始采样速率来传输数据。可在低通滤波器中加入抽取滤波器级，以降低输出数据速率。最后一步是根据同相和正交分量计算输入信号的幅度和相位。

图12. 使用不同数字精度以数字方式生成正弦波

结论
淹没在噪底内的低频小信号非常难以测量，但是通过应用调制和锁定放大器技术可以实现高精度测量。最简单的锁定放大器可以是在两个增益之间切换的运算放大 器。虽然这不会带来最低噪声性能，但是与简单的直流测量相比，此电路结构简单、成本低，使其具有一定的吸引力。此电路的一项改进是使用正弦波参考和乘法 器，但是这在模拟域中比较难以实现。为获得最佳性能，可考虑使用低噪声、高分辨率Σ-Δ 型ADC，对输入信号进行数字化，在数字域中生成参考正弦波以及所有其他元素。