同步检波器助力精密低电平测量

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0.55μV/°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的谐波重合），而不是使用1 kHz（这是50 Hz的第20个谐波）。

尽管有此缺点，但该电路简单、成本低。与尝试进行直流测量相比，使用低噪声放大器并选择合适的调制频率仍然可带来大幅改进。

图5.如果输入信号（A）和参考信号（B）都是方波，则将它们相乘（C）可有效解调输入信号的每个谐波。

简单的集成替代方案

图4中的电路需要一个运算放大器、一个开关和一些分立元器件，另外还需要微处理器提供参考时钟。一种替代方案是使用集成式同步解调器，如图6所示。ADA2200包含缓冲输入、可编程IIR滤波器、乘法器和可将参考信号偏移90°的模块，可轻松测量或补偿参考时钟和输入信号之间的相移。

图6. ADA2200功能框图

使用ADA2200实现锁定检测电路时，只需施加等于所需参考频率64倍的时钟频率，如图7所示。可编程滤波器的默认配置为带通响应，因而无需对信号进行交流耦合。模拟输出将以数倍于采样速率的速度生成镜像，因此可使用RC滤波器后接Σ-Δ型ADC来滤除这些镜像，而仅测量信号的解调直流分量。

图7.使用ADA2200实现锁定放大器

改进方波锁定电路

图8显示了方波调制电路的一种改进方式。传感器采用方波进行激励，但测量信号会与相同频率和相位的正弦波相乘。现在，只有基波频率的信号内容才会移至直流，而所有其他谐波都将移至非零频率。这样，便可轻松使用低通滤波器滤除测量信号中直流分量以外的所有其他分量。

图8.使用正弦波作为参考信号可防止噪声解调到直流