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ADI:同步检波器助力精细低电平丈量

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 简介同步检波器可提取淹没在噪底内的小信号,用于

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简介

同步检波器可提取淹没在噪底内的小信号,用于进行各种物理量丈量,例如极小的电阻、亮堂布景下的光吸收或反射量,或许存在于高噪声电平下的应变。

在许多体系中,跟着频率趋近于零,噪声会不断添加。例如,运算放大器具有1/f 噪声,而光学丈量易受因环境光条件改变而发生的噪声影响。在远离低频噪声处进行的丈量可进步信噪比,然后可检测到较弱信号。例如,将光源调制到几千赫兹有助于丈量本来会淹没在噪底内的反射光。图1 显现了调制技能怎么康复本来低于噪底的信号。

Figure 1
图1. 经过调制使信号远离噪声源

调制鼓励信号的办法有多种。最简略的办法是重复翻开、封闭。在驱动LED、为应变计电桥供电的电压源和其他类型鼓励时,这种办法很有用。而关于光谱仪器上运用的白炽灯泡和其他不易开关的鼓励源,可经过运用机械快门切断光线来完成调制。调制鼓励信号的办法有多种。最简略的办法是重复翻开、封闭。在驱动LED、为应变计电桥供电的电压源和其他类型鼓励时,这种办法很有用。而关于光谱仪器上运用的白炽灯泡和其他不易开关的鼓励源,可经过运用机械快门切断光线来完成调制。

窄带带通滤波器可滤除方针频率以外的一切其他频率,使原始信号得以康复,但运用分立元器材规划所需的滤波器或许很难。另一种办法是考虑运用同步解调器,该器材可将调制信号康复至直流,一起按捺与参阅信号不同步的各信号。运用这种技能的设备称为确定放大器。

图2 显现了一个简略的确定放大器运用。用一个调制为1 kHz 的光源照耀测验外表。再由光电二极管丈量测验外表反射的光线,其强度与外表的污染程度成份额。参阅信号和丈量信号都是正弦波,而且频率和相位相同,但起伏不同。驱动光电二极管的参阅信号具有固定起伏,而丈量信号的起伏会随反射光量而改变。

Figure 2
图2. 运用确定放大器丈量外表污染程度

两个正弦波相乘所得的结果是一个具有和频与差频办法频率重量的信号。这儿,两个正弦波具有相同的频率,因而结果是一个直流信号和一个两倍于原始频率的信号。负号表明它具有180°的相移。低通滤波器会滤除信号中直流重量以外的一切重量。

 Equation 1
    (1)

考虑有噪输入信号时,运用这种技能的优势将变得十分显着。相乘只会使调制频率的信号移回直流,一切其他频率重量则移至其他非零频率。图3 显现了一个具有50 Hz 和2.5 kHz 高噪声源的体系。弱小的方针信号选用1 kHz 正弦波进行调制。输入信号与参阅信号相乘所得到的是一个直流信号,以及频率为950 Hz、1050 Hz、1.5 kHz、2 kHz 和3.5 kHz 的其他信号。直流信号包括所需的信息,因而可运用低通滤波器滤除其他频率。

Figure 3
图3. 同步解调在有50 Hz和2.5 kHz强噪声源的状况下拾取1 kHz弱信号

近方针信号的任何噪声重量均会呈现在挨近直流的频率上,因而有必要挑选邻近没有强噪声源的调制频率,这点十分重要。假如无法做到这一点,则需求运用截止频率极低且呼应敏锐的低通滤波器,但价值是树立时刻较长。

有用确定完成计划

生成正弦波来调制信号源或许不切实际,因而有些体系会改用方波。生成方波鼓励要比生成正弦波简略得多,运用简略的设备(比如可切换模仿开关或MOSFET 的微操控器引脚)即可完成。

图4 显现了一种完成确定放大器的简略办法。由微操控器或其他器材生成促进传感器作出呼应的方波鼓励。第一个放大器是跨导放大器(用于光电二极管)或外表放大器(用于应变计)。

用于鼓励传感器的信号还用于操控ADG619 SPDT 开关。当鼓励信号为正时,放大器装备为增益+1。当鼓励信号为负时,放大器装备为增益-1。这在数学上相当于将丈量信号乘以参阅方波。输出RC 滤波器会滤除任何其他频率的信号,因而输出电压是直流信号,巨细等于丈量方波的峰峰值电压的一半。

Figure 4
图4. 运用方波鼓励的确定放大器

尽管电路比较简略,但挑选正确的运算放大器十分重要。沟通耦合输入级可滤除大部分的低频输入噪声,但不会滤除1/f 噪声和最终一个放大器发生的失调差错。ADA4077-1 精细放大器在0.1 Hz到10 Hz 规模内具有250 nV p-p 噪声以及0.55 μV/ °C的失调漂移,因而十分适宜此运用。

依据方波的确定放大器比较简略,但其噪声按捺功能及不上运用正弦波的确定放大器。图5 显现了方波鼓励和参阅信号的频域表明。方波由基波和一切奇次谐波的正弦波无量和构成。将两个同频方波相乘需求将参阅信号的每个正弦重量乘以丈量信号的每个正弦重量。所得到的是包括方波的每个谐波能量的直流信号。奇次谐波频率下呈现的搅扰信号不会被滤除,不过会有所削弱,详细取决于其所在的谐波。因而,挑选调制频率时应保证其谐波不是任何已知噪声源的频率或谐波,这点十分重要。例如,要按捺线路噪声,应挑选1.0375 kHz 的调制频率(不会与50 Hz 或60 Hz的谐波重合),而不是运用1 kHz(这是50 Hz 的第20 个谐波)。

尽管有此缺陷,但该电路简略、成本低。与测验进行直流丈量比较,运用低噪声放大器并挑选适宜的调制频率依然可带来大幅改善。

 Figure 5
图5. 假如输入信号(A)和参阅信号(B)都是方波,则将它们相乘(C)可有用解调输入信号的每个谐波。

简略的集成代替计划

图4 中的电路需求一个运算放大器、一个开关和一些分立元器材,别的还需求微处理器供给参阅时钟。一种代替计划是运用集成式同步解调器,如图6 所示。ADA2200 包括缓冲输入、可编程IIR滤波器、乘法器和可将参阅信号偏移90°的模块,可轻松丈量或补偿参阅时钟和输入信号之间的相移。

Figure 6
图6. ADA2200 功用框图

运用ADA2200 完成确定检测电路时,只需施加等于所需参阅频率64 倍的时钟频率,如图7 所示。可编程滤波器的默许装备为带通呼应,因而无需对信号进行沟通耦合。模仿输出将以数倍于采样速率的速度生成镜像,因而可运用RC 滤波器后接Σ-Δ 型ADC 来滤除这些镜像,而仅丈量信号的解调直流重量。

 Figure 7
图7. 运用ADA2200 完成确定放大器

改善方波确定电路

图8 显现了方波调制电路的一种改善办法。传感器选用方波进行鼓励,但丈量信号会与相同频率和相位的正弦波相乘。现在,只要基波频率的信号内容才会移至直流,而一切其他谐波都将移至非零频率。这样,便可轻松运用低通滤波器滤除丈量信号中直流重量以外的一切其他重量。

Figure 8
图8. 运用正弦波作为参阅信号可防止噪声解调到直流

另一个难点是,假如参阅信号和丈量信号之间存在任何相移,所发生的输出都会小于无相移时。假如传感器信号调度电路包括任何会形成相位推迟的滤波器,就会呈现这种状况。在模仿确定放大器中,处理该问题的仅有办法是在参阅信号途径中添加相位补偿电路。这并不简略,因为电路有必要可调理,以补偿各种相位推迟,而且会随温度、元件容差而改变。一个较为简略的代替计划是添加第二个乘法级,将丈量信号乘以参阅信号的90°相移版别。这个第二级的输出信号将与输入的反相重量成份额,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)重量成份额的低频信号。要核算输入信号的起伏,只需对I 和Q 输出求平方和。这种架构的另一个优点是,能够核算鼓励/参阅信号和输入之间的相位。

Figure 9
图9. 运用参阅信号的正交版别核算起伏和相位

现在评论的一切确定放大器均会发生参阅信号来鼓励传感器。最终一项改善是答应将外部信号用作参阅信号。例如,图10 中的体系可运用宽带白炽灯来测验外表的光学特性。此类体系能够丈量镜面反射率或外表污染程度等参数。与运用电子调制比较,运用机械斩波碟调制白炽灯光源会简略得多。紧挨着斩波碟的低成本方位传感器生成方波参阅信号,馈入确定放大器。锁相环不直接运用此信号,而是生成频率和相位与输入参阅信号相同的正弦波。运用这种办法时有必要留意一点,那就是内部生成的正弦波有必要具有低失真。

Figure 10
图10. 运用PLL 确定至外部参阅信号

尽管运用分立式PLL 和乘法器能够完成该体系,可是运用FPGA完成确定放大器功用会带来多个功能优势。图11 显现了运用FPGA 构建的确定放大器, 其间前端依据零漂移放大器ADA4528-1 和24 位Σ-Δ型ADC AD7175。此运用无需极高带宽,因而可将确定放大器的等效噪声带宽设置为50 Hz。受测器材为任何可外部鼓励的传感器。放大器装备为具有巨细为20 的噪声增益,以充分利用ADC 的满量程规模。尽管直流差错不影响丈量,可是最大极限地下降失调漂移和1/f 噪声依然很重要,因为它们会缩小可用动态规模,尤其是在放大器装备为高增益的状况下。

ADA4528-1 具有2.5 μV 的最大输入失调差错,这意味着选用2.5 V基准电压源时只能运用AD7175 满量程输入规模的10 ppm。ADC后方的数字高通滤波器将滤除一切直流失谐和低频噪声。要核算输出噪声,首先应核算AD7175 的电压噪声密度。数据手册给出的噪声标准为5.9 μV rms,测验条件是50 kSPS 输出数据速率、运用sinc5 + sinc1 滤波器且使能输入缓冲器。选用这些设置时的等效噪声带宽为21.7 kHz,这将发生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。因为数字滤波器的等效噪声带宽仅为50 Hz,因而输出噪声为881 nV rms。在2.5 V的输入规模内,这会形成体系的动态规模为126 dB。经过调整低通滤波器的频率呼应,咱们能够以带宽来交换动态规模。例如,假如将滤波器的带宽设置为1 Hz,则动态规模为143 dB,而带宽设为250 Hz 时动态规模为119 dB。

Figure 11
图11. 依据FPGA 的确定放大器

数字锁相环生成确定至鼓励信号的正弦波,鼓励信号能够在外部或内部生成,而且不必是正弦波。参阅正弦波中的任何谐波将与输入信号相乘,然后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相同。以数字办法生成参阅正弦波的一个优势是,可经过调整数字精度取得极低的失真功能。

图12 显现了运用4、8、16 和32 位精度以数字办法生成的四个正弦波。明显,运用4 位精度所取得的功能与图5 中的状况不同不大,可是该状况会在运用更高精度后很快得到改善。运用16 位精度时,生成具有如此低总谐波失真(THD)的模仿信号比较困难,而运用32 位精度时,THD 超越–200 dB,这是模仿电路无法比拟的。此外,这些是以数字办法生成的信号,因而完全能够重复生成。当数据转换成数字并输入FPGA 后,将不会添加任何噪声或漂移。

在乘法器之后,低通滤波器将滤除任何高频重量并输出信号的同相和正交重量。因为等效噪声带宽仅为50 Hz,因而没有理由以250 kSPS 的原始采样速率来传输数据。可在低通滤波器中参加抽取滤波器级,以下降输出数据速率。最终一步是依据同相和正交重量核算输入信号的起伏和相位。

Figure 12
图12. 运用不同数字精度以数字办法生成正弦波

定论

淹没在噪底内的低频小信号十分难以丈量,可是经过运用调制和确定放大器技能能够完成高精度丈量。最简略的确定放大器能够是在两个增益之间切换的运算放大器。尽管这不会带来最低噪声功能,可是与简略的直流丈量比较,此电路结构简略、成本低,使其具有必定的吸引力。此电路的一项改善是运用正弦波参阅和乘法器,可是这在模仿域中比较难以完成。为取得最佳功能,可考虑运用低噪声、高分辨率Σ-Δ 型ADC,对输入信号进行数字化,在数字域中生成参阅正弦波以及一切其他元素。

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