使用同步檢測進行精密低電平測量 - 全文

同步檢測是一項實用的技術(shù)，它可通過許多儀器儀表應(yīng)用提取低于噪底的嵌入低電平信號。例如：測量非常小的電阻，測量在強背景光下光的吸收或反射，或者甚至在高噪聲電平的情況下進行應(yīng)變測量。

當(dāng)頻率接近直流時，許多電氣和物理系統(tǒng)都會有更高的噪聲。例如，運算放大器有1/f的噪聲，并且露天光學(xué)測量系統(tǒng)會受日光、白熾燈、熒光燈和其他光源造成的環(huán)境光照條件變化產(chǎn)生的噪聲影響。如果可以使測量遠(yuǎn)離這些低頻噪聲源，則可以獲得更高的信噪比并檢測出弱得多的信號。例如，如果您希望測量表面反射的光量，則在幾kHz下調(diào)制光源將能夠測量在較低頻率噪聲中嵌入的信號。圖1展示了信號調(diào)制在低于噪底和可恢復(fù)測量方面有多么重要。調(diào)制傳感器激勵信號的方法有不少。最簡單的調(diào)制方案是反復(fù)開啟和關(guān)閉激勵信號。這對于驅(qū)動LED和其他類型激勵(例如應(yīng)變計橋加壓)很有效。它尤其適用于很難以電子方式調(diào)制激勵源(例如廣泛運用于許多波譜儀器的白熾燈)的情況。在此情況下，調(diào)制就如使用機械調(diào)制盤對光進行斬波一樣簡單。

要恢復(fù)圖1中的信號，您只需設(shè)計窄帶帶通濾波器，以去除其它頻率信號僅保留目標(biāo)頻率信號，然后測量信號的幅度。在實踐中，設(shè)計具有分立組件的極窄(高Q)帶通濾波器非常具有挑戰(zhàn)性。如果規(guī)格要求極窄的濾波器，則更不可能辦到。此外，您可以使用同步解調(diào)將已調(diào)制的信號移回直流，同時濾除與參考信號不同步的其他信號。運用此技術(shù)的儀器稱作鎖相放大器。

要簡單介紹鎖定放大器，不妨首先描述圖2中所示的應(yīng)用。一個調(diào)制為1 kHz的光源照亮測試表面，一個光電二極管測量表面反射的光量，反射光量與累積的污染量成正比。假設(shè)參考信號和測量均為正弦波(頻率和相位均相同，但是幅度不同)。假設(shè)參考信號以固定的幅度驅(qū)動光電二極管，則測量的幅度會隨著反射的光量而變化(在其他應(yīng)用中，這與測量的物理參數(shù)相對應(yīng))。

將兩個正弦波相乘的結(jié)果是頻率組分在兩個輸入正弦波之和以及之差上的一個信號。在此情況下，兩個正弦波具有相同的頻率，公式1顯示的結(jié)果表明一個直流信號，另一個信號是原始頻率兩倍(負(fù)號指示180°的相移)。低通濾波器會移除信號直流組分以外的所有組分。

如果您考慮噪雜的輸入信號，則運用這項技術(shù)的優(yōu)勢會非常明顯。多乘法級輸出仍會導(dǎo)致只有調(diào)制頻率下的信號才會移回到直流，所有其他頻率組分會移至其他非直流頻率。例如，圖3介紹了具有50 Hz和2.5 kHz強噪聲源的系統(tǒng)，以及使用1 kHz正弦波調(diào)制的非常弱的目標(biāo)信號。

將輸入與參考相乘將獲得直流信號，其他信號為950 Hz、1.05 kHz、1.5 kHz、2 kHz 和 3.5 kHz。直流信號包含所需的信息，因此您可以使用低通濾波器移除所有其他頻率。

由于接近目標(biāo)信號的任何噪聲組分均會在接近直流的頻率出現(xiàn)，因此挑出其附近沒有強噪聲源的調(diào)制頻率非常重要。如果這不可能辦到，則需要截止頻率非常低并可作出敏銳響應(yīng)的低通濾波器，并會耗費較長的建立時間。實際鎖定方案生成正弦波來調(diào)制信號源可能不切實際，有些系統(tǒng)會改用方波。生成方波激勵要比生成正弦波簡單得多，使用簡單的裝置(諸如可切換模擬開關(guān)或MOSFET的微控制器引腳)即可實現(xiàn)。

圖4的電路是基于硬件的鎖定放大器的簡單實施方法。微控制器或其他數(shù)字設(shè)備會生成促使傳感器作出響應(yīng)的方波激勵信號。如果是光電二極管，則第一個放大器將是電流電壓轉(zhuǎn)換器，而應(yīng)變計橋?qū)⑿枰?a target="_blank">儀表放大器。

用于激勵傳感器的信號同樣將用于控制ADG619 SPDT開關(guān)。當(dāng)激勵信號為正時，ADG619會將放大器配置為+1的增益。當(dāng)激勵為負(fù)時，ADG619會將放大器配置為–1的增益，這實質(zhì)上會“撥動”方波的負(fù)極。這在數(shù)學(xué)上等同于將測量的信號乘以參考方波。輸出RC濾波器會移除任何其他頻率的信號，輸出電壓是直流信號，等于測量方波的峰峰值電壓的一半。

雖然該電路很簡單，但針對任務(wù)要求挑選正確的運算放大器很重要。輸入交流耦合級將除去大部分低頻輸入噪聲，但是不會從最后一個放大器中濾除任何1/f噪聲和失調(diào)誤差。ADA4077-1具有0.1 Hz到10 Hz的250 nV p-p噪聲以及0.55 ?V/ °C的失調(diào)漂移，這使其成為該應(yīng)用的理想選擇。

使用基于方波的鎖定放大器需要簡單的電路，但是其噪聲抑制性能要遜于使用正弦波的系統(tǒng)。圖5展示了使用方波作為傳感器激勵和參考信號的頻率域表示。方波由基波和所有奇次諧波的無窮正弦波的和構(gòu)成。將兩個同頻方波相乘需將參考信號的每個正弦組分乘以測量信號的每個正弦組分。結(jié)果將獲得包含方波的每個諧波能量的直流信號。

不會濾除在任何奇次諧波頻率出現(xiàn)的任何無用信號(雖然它們將根據(jù)所在的諧波范圍按比例縮小)。當(dāng)設(shè)計基于方波的鎖定放大器時，挑選的調(diào)制頻率務(wù)必不含任何頻率諧波或已知噪聲源諧波。例如，選擇1.0375 kHz(與50 Hz或60 Hz的諧波不一致)，而不選擇1 kHz調(diào)制頻率(第20個50 Hz的諧波)。即使有此缺點，但電路簡單、成本低。與嘗試直流測量相比，使用低噪放大器并挑選合適的調(diào)制頻率仍然可獲得更大的改善。