- 使用同步检测进行精密低电平测量

至此讨论的所有系统均会产生可激励传感器的参考信号。锁定放大器的最后一项改进是允许外部信号充当参考信号。例如，图10展示了可使用宽带白炽灯来测试表面光学属性的系统。此类系统可以测量镜面反射性或表面污染量等参数。与应用电子调制相比，使用机械斩波器调制白炽灯光源会简单得多。接近斩波器的廉价位置传感器会生成方波参考信号馈送给锁定放大器。锁相环会产生与输入参考信号频率和相位相同的正弦波，而非直接使用此信号。

此方法请注意一点，内部生成的正弦波必须具有低失真。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展示了使用FPGA构建的锁定放大器，采用基于ADA4528-1零偏移放大器的前端和24位Σ-Δ ADC AD7175-2。此类应用无需很高的带宽，因此我们可以将锁相放大器的噪声带宽设置为50 Hz。受测设备仍然是任何可外部激励的传感器。ADA4528-1配置为噪声增益为20，以充分利用ADC的满量程(本例随意设置)。虽然直流错误不会影响测量，但是最大限度降低失调漂移和1/f噪音仍然很重要，因为它们会缩小可用的动态范围，尤其是针对高增益配置放大器的情况。ADA4528-1的2.5 ?V最差情况的输入失调误差表示只有10 ppm的AD7175-2全量程输入范围(采用2.5 V基准电压)。ADC后的数字高通滤波器将移除任何直流失调和频率很低的噪声。要计算输出噪声，我们需要了解AD7175-2的电压噪声密度。数据手册规定ADC噪声为5.9 ?Vrms，输出数据速率为50 kSPS，使用Sinc5 + Sinc1滤波器并支持输入缓冲器。采用这些设置的等效噪声带宽为21.7 kHz，这将产生40 nV/√Hz的电压噪音密度。ADA4528的宽带输入噪声是5.9 nV/√Hz，它会在输出为118 nV/√Hz时出现，产生125 nV/√Hz的组合噪音密度。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 nVrms。在±2.5 V输入范围内，这将产生动态范围为126 dB的系统。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，针对1 Hz等效噪声带宽设置滤波器，所产生的动态范围为143 dB，而将带宽设置为250 Hz，则会获得119 dB的动态范围。

数字锁相环会生成锁定为激励信号(可以是外部信号或FPGA内部生成的信号，并且不必是正弦波)的正弦波。参考正弦波中的任何谐波也将与输入信号相乘，将谐波频率中存在的噪声和其他无用的信号解调，正如两个方波相乘的情况(见图5)。以数字方式生成此参考正弦波的一个优势是，这样只需调整数字精度，即可相对轻松地生成失真度极低的信号。例如，图12展示了四个使用4、8、16和32位精度以数字方式生成的正弦波。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数字后很快得以改善。在16位精度条件下，需要付出一些努力才能生成具有如此低总谐波失真(THD)的模拟信号，在32位精度时THD超过–200 dB，这是不可能与模拟电路相匹配的。此外，由于这些是以数字方式生成的信号，因此它们可以很好地重复。将数据转换到数字域并输入FPGA后，就无需考虑其他噪声或漂移。

在乘法器后，低通滤波器将除去任何高频成分并输出信号的同相和正交组分。继续假定滤波器的等效噪声带宽仅为50 Hz，没有理由按原始采样速率250 kSPS传输数据。低通滤波器可包括抽取滤波器级，以降低输出数据速率。该流程的最后一步是计算输入信号同相和正交组分的幅度和相位。

小结

嵌入噪底的低频小信号难以测量，但是应用调制和锁定放大器技术可以获得高精度的测量。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。虽然这不会带来最好的噪声性能，但是与简单的直流测量相比，简单的低成本电路仍然非常具有吸引力。此电路的一项改进是使用正弦波参考和乘法器，但是在模拟域中实现会比较难。为获得终极性能，可考虑使用低噪声、高分辨率的Σ-Δ ADC(例如AD7175-2)，以便将输入信号数字化，然后生成参考正弦波以及数字域中锁定放大器的所有其他要素。

作者

Luis Orozco [luis.orozco@analog.com]是ADI公司工业和仪器仪表部系统应用工程师，主要涉足精密仪器仪表、化学分析和环境监测应用。Luis于2011年2月加入ADI。在加入ADI前，他在数据采集设备设计领域拥有超过十年的工作经验。