使用同步检测进行精密低电平测量

同步检测是一项实用的技术，它可通过许多仪器仪表应用提取低于噪底的嵌入低电平信号。例如：测量非常小的电阻，测量在强背景光下光的吸收或反射，或者甚至在高噪声电平的情况下进行应变测量。

当频率接近直流时，许多电气和物理系统都会有更高的噪声。例如，运算放大器有1/f的噪声，并且露天光学测量系统会受日光、白炽灯、荧光灯和其他光源造成的环境光照条件变化产生的噪声影响。如果可以使测量远离这些低频噪声源，则可以获得更高的信噪比并检测出弱得多的信号。例如，如果您希望测量表面反射的光量，则在几kHz下调制光源将能够测量在较低频率噪声中嵌入的信号。图1展示了信号调制在低于噪底和可恢复测量方面有多么重要。调制传感器激励信号的方法有不少。最简单的调制方案是反复开启和关闭激励信号。这对于驱动LED和其他类型激励(例如应变计桥加压)很有效。它尤其适用于很难以电子方式调制激励源(例如广泛运用于许多波谱仪器的白炽灯)的情况。在此情况下，调制就如使用机械调制盘对光进行斩波一样简单。

图1. 调制信号以将信号移至远离噪声源的位置

要恢复图1中的信号，您只需设计窄带带通滤波器，以去除其它频率信号仅保留目标频率信号，然后测量信号的幅度。在实践中，设计具有分立组件的极窄(高Q)带通滤波器非常具有挑战性。如果规格要求极窄的滤波器，则更不可能办到。此外，您可以使用同步解调将已调制的信号移回直流，同时滤除与参考信号不同步的其他信号。运用此技术的仪器称作锁相放大器。

要简单介绍锁定放大器，不妨首先描述图2中所示的应用。一个调制为1 kHz的光源照亮测试表面，一个光电二极管测量表面反射的光量，反射光量与累积的污染量成正比。假设参考信号和测量均为正弦波(频率和相位均相同，但是幅度不同)。假设参考信号以固定的幅度驱动光电二极管，则测量的幅度会随着反射的光量而变化(在其他应用中，这与测量的物理参数相对应)。

将两个正弦波相乘的结果是频率组分在两个输入正弦波之和以及之差上的一个信号。在此情况下，两个正弦波具有相同的频率，公式1显示的结果表明一个直流信号，另一个信号是原始频率两倍(负号指示180°的相移)。低通滤波器会移除信号直流组分以外的所有组分。

如果您考虑噪杂的输入信号，则运用这项技术的优势会非常明显。多乘法级输出仍会导致只有调制频率下的信号才会移回到直流，所有其他频率组分会移至其他非直流频率。例如，图3介绍了具有50 Hz和2.5 kHz强噪声源的系统，以及使用1 kHz正弦波调制的非常弱的目标信号。

图2. 使用锁定放大器测量表面污染情况

将输入与参考相乘将获得直流信号，其他信号为950 Hz、1.05 kHz、1.5 kHz、2 kHz 和 3.5 kHz。直流信号包含所需的信息，因此您可以使用低通滤波器移除所有其他频率。

图3. 同步解调在50 Hz和2.5 kHz强噪声源的情况下挑出微弱的1 kHz信号

由于接近目标信号的任何噪声组分均会在接近直流的频率出现，因此挑出其附近没有强噪声源的调制频率非常重要。如果这不可能办到，则需要截止频率非常低并可作出敏锐响应的低通滤波器，并会耗费较长的建立时间。实际锁定方案生成正弦波来调制信号源可能不切实际，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的电路是基于硬件的锁定放大器的简单实施方法。微控制器或其他数字设备会生成促使传感器作出响应的方波激励信号。如果是光电二极管，则第一个放大器将是电流电压转换器，而应变计桥将需要仪表放大器。

用于激励传感器的信号同样将用于控制ADG619 SPDT开关。当激励信号为正时，ADG619会将放大器配置为+1的增益。当激励为负时，ADG619会将放大器配置为–1的增益，这实质上会“拨动”方波的负极。这在数学上等同于将测量的信号乘以参考方波。输出RC滤波器会移除任何其他频率的信号，输出电压是直流信号，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

虽然该电路很简单，但针对任务要求挑选正确的运算放大器很重要。输入交流耦合级将除去大部分低频输入噪声，但是不会从最后一个放大器中滤除任何1/f噪声和失调误差。ADA4077-1具有0.1 Hz到10 Hz的250 nV p-p噪声以及0.55 ?V/ °C的失调漂移，这使其成为该应用的理想选择。

使用基于方波的锁定放大器需要简单的电路，但是其噪声抑制性能要逊于使用正弦波的系统。图5展示了使用方波作为传感器激励和参考信号的频率域表示。方波由基波和所有奇次谐波的无穷正弦波的和构成。将两个同频方波相乘需将参考信号的每个正弦组分乘以测量信号的每个正弦组分。结果将获得包含方波的每个谐波能量的直流信号。

不会滤除在任何奇次谐波频率出现的任何无用信号(虽然它们将根据所在的谐波范围按比例缩小)。当设计基于方波的锁定放大器时，挑选的调制频率务必不含任何频率谐波或已知噪声源谐波。例如，选择1.0375 kHz(与50 Hz或60 Hz的谐波不一致)，而不选择1 kHz调制频率(第20个50 Hz的谐波)。即使有此缺点，但电路简单、成本低。与尝试直流测量相比，使用低噪放大器并挑选合适的调制频率仍然可获得更大的改善。

图5. 如果输入信号(A)和参考(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