同步检波器助力精密低电平测量

另一个难点是，如果参考信号和测量信号之间存在任何相移，所产生的输出都会小于无相移时。如果传感器信号调理电路包含任何会造成相位延迟的滤波器，就会出现这种情况。在模拟锁定放大器中，解决该问题的唯一方法是在参考信号路径中增加相位补偿电路。这并不容易，因为电路必须可调节，以补偿各种相位延迟，并且会随温度、元件容差而变化。一个较为简单的替代方案是添加第二个乘法级，将测量信号乘以参考信号的90°相移版本。这个第二级的输出信号将与输入的反相分量成比例，如图9所示。

经过两个乘法器级后，低通滤波器的输出为与输入的同相（I）及正交（Q）分量成比例的低频信号。要计算输入信号的幅度，只需对I和Q输出求平方和。这种架构的另一个好处是，可以计算激励/参考信号和输入之间的相位。

图9.使用参考信号的正交版本计算幅度和相位

目前讨论的所有锁定放大器均会产生参考信号来激励传感器。最后一项改进是允许将外部信号用作参考信号。例如，图10中的系统可使用宽带白炽灯来测试表面的光学特性。此类系统可以测量镜面反射率或表面污染程度等参数。与使用电子调制相比，使用机械斩波碟调制白炽灯光源会简单得多。紧挨着斩波碟的低成本位置传感器生成方波参考信号，馈入锁定放大器。锁相环不直接使用此信号，而是生成频率和相位与输入参考信号相同的正弦波。使用这种方法时必须注意一点，那就是内部生成的正弦波必须具有低失真。

图10.使用PLL锁定至外部参考信号

虽然使用分立式PLL和乘法器可以实现该系统，但是使用FPGA实现锁定放大器功能会带来多个性能优势。图11显示了使用FPGA构建的锁定放大器，其中前端基于零漂移放大器ADA4528-1和24位Σ-Δ型ADC AD7175.此应用无需极高带宽，因此可将锁定放大器的等效噪声带宽设置为50 Hz.受测器件为任何可外部激励的传感器。放大器配置为具有大小为20的噪声增益，以充分利用ADC的满量程范围。虽然直流误差不影响测量，但是最大限度地降低失调漂移和1/f噪声仍然很重要，因为它们会缩小可用动态范围，尤其是在放大器配置为高增益的情况下。

ADA4528-1具有2.5μV的最大输入失调误差，这意味着采用2.5 V基准电压源时只能使用AD7175满量程输入范围的10 ppm.ADC后方的数字高通滤波器将滤除所有直流失调和低频噪声。要计算输出噪声，首先应计算AD7175的电压噪声密度。数据手册给出的噪声规格为5.9μV rms，测试条件是50 kSPS输出数据速率、使用sinc5 + sinc1滤波器且使能输入缓冲器。采用这些设置时的等效噪声带宽为21.7 kHz，这将产生40 nV/√Hz的电压噪声密度。

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。