- 使用同步檢測進行精密低電平測量

至此討論的所有系統(tǒng)均會產(chǎn)生可激勵傳感器的參考信號。鎖定放大器的最后一項改進是允許外部信號充當參考信號。例如，圖10展示了可使用寬帶白熾燈來測試表面光學屬性的系統(tǒng)。此類系統(tǒng)可以測量鏡面反射性或表面污染量等參數(shù)。與應(yīng)用電子調(diào)制相比，使用機械斬波器調(diào)制白熾燈光源會簡單得多。接近斬波器的廉價位置傳感器會生成方波參考信號饋送給鎖定放大器。鎖相環(huán)會產(chǎn)生與輸入?yún)⒖夹盘栴l率和相位相同的正弦波，而非直接使用此信號。

此方法請注意一點，內(nèi)部生成的正弦波必須具有低失真。雖然使用分立式PLL和乘法器可以實現(xiàn)該系統(tǒng)，但是使用FPGA實現(xiàn)鎖定放大器功能會帶來多個性能優(yōu)勢。圖11展示了使用FPGA構(gòu)建的鎖定放大器，采用基于ADA4528-1零偏移放大器的前端和24位Σ-Δ ADC AD7175-2。此類應(yīng)用無需很高的帶寬，因此我們可以將鎖相放大器的噪聲帶寬設(shè)置為50 Hz。受測設(shè)備仍然是任何可外部激勵的傳感器。ADA4528-1配置為噪聲增益為20，以充分利用ADC的滿量程(本例隨意設(shè)置)。雖然直流錯誤不會影響測量，但是最大限度降低失調(diào)漂移和1/f噪音仍然很重要，因為它們會縮小可用的動態(tài)范圍，尤其是針對高增益配置放大器的情況。ADA4528-1的2.5 ?V最差情況的輸入失調(diào)誤差表示只有10 ppm的AD7175-2全量程輸入范圍(采用2.5 V基準電壓)。ADC后的數(shù)字高通濾波器將移除任何直流失調(diào)和頻率很低的噪聲。要計算輸出噪聲，我們需要了解AD7175-2的電壓噪聲密度。數(shù)據(jù)手冊規(guī)定ADC噪聲為5.9 ?Vrms，輸出數(shù)據(jù)速率為50 kSPS，使用Sinc5 + Sinc1濾波器并支持輸入緩沖器。采用這些設(shè)置的等效噪聲帶寬為21.7 kHz，這將產(chǎn)生40 nV/√Hz的電壓噪音密度。ADA4528的寬帶輸入噪聲是5.9 nV/√Hz，它會在輸出為118 nV/√Hz時出現(xiàn)，產(chǎn)生125 nV/√Hz的組合噪音密度。由于數(shù)字濾波器的等效噪聲帶寬僅為50 Hz，因此輸出噪聲為881 nVrms。在±2.5 V輸入范圍內(nèi)，這將產(chǎn)生動態(tài)范圍為126 dB的系統(tǒng)。通過調(diào)整低通濾波器的頻率響應(yīng)，我們能夠以帶寬來換取動態(tài)范圍。例如，針對1 Hz等效噪聲帶寬設(shè)置濾波器，所產(chǎn)生的動態(tài)范圍為143 dB，而將帶寬設(shè)置為250 Hz，則會獲得119 dB的動態(tài)范圍。

數(shù)字鎖相環(huán)會生成鎖定為激勵信號(可以是外部信號或FPGA內(nèi)部生成的信號，并且不必是正弦波)的正弦波。參考正弦波中的任何諧波也將與輸入信號相乘，將諧波頻率中存在的噪聲和其他無用的信號解調(diào)，正如兩個方波相乘的情況(見圖5)。以數(shù)字方式生成此參考正弦波的一個優(yōu)勢是，這樣只需調(diào)整數(shù)字精度，即可相對輕松地生成失真度極低的信號。例如，圖12展示了四個使用4、8、16和32位精度以數(shù)字方式生成的正弦波。顯然，使用4位精度所獲得的性能與圖5中的情況差別不大，但是該情況會在使用更高精度數(shù)字后很快得以改善。在16位精度條件下，需要付出一些努力才能生成具有如此低總諧波失真(THD)的模擬信號，在32位精度時THD超過–200 dB，這是不可能與模擬電路相匹配的。此外，由于這些是以數(shù)字方式生成的信號，因此它們可以很好地重復(fù)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域并輸入FPGA后，就無需考慮其他噪聲或漂移。

在乘法器后，低通濾波器將除去任何高頻成分并輸出信號的同相和正交組分。繼續(xù)假定濾波器的等效噪聲帶寬僅為50 Hz，沒有理由按原始采樣速率250 kSPS傳輸數(shù)據(jù)。低通濾波器可包括抽取濾波器級，以降低輸出數(shù)據(jù)速率。該流程的最后一步是計算輸入信號同相和正交組分的幅度和相位。

小結(jié)

嵌入噪底的低頻小信號難以測量，但是應(yīng)用調(diào)制和鎖定放大器技術(shù)可以獲得高精度的測量。最簡單的鎖定放大器可以是在兩個增益之間切換的運算放大器。雖然這不會帶來最好的噪聲性能，但是與簡單的直流測量相比，簡單的低成本電路仍然非常具有吸引力。此電路的一項改進是使用正弦波參考和乘法器，但是在模擬域中實現(xiàn)會比較難。為獲得終極性能，可考慮使用低噪聲、高分辨率的Σ-Δ ADC(例如AD7175-2)，以便將輸入信號數(shù)字化，然后生成參考正弦波以及數(shù)字域中鎖定放大器的所有其他要素。

作者

Luis Orozco [luis.orozco@analog.com]是ADI公司工業(yè)和儀器儀表部系統(tǒng)應(yīng)用工程師，主要涉足精密儀器儀表、化學分析和環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用。Luis于2011年2月加入ADI。在加入ADI前，他在數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)計領(lǐng)域擁有超過十年的工作經(jīng)驗。