有助于低压测量的精密同步检波放大器设计
本设计实例提出了一种实用电路，借此就可实现同步检测，进而以高线性度和出色的抗噪性对小直流电压进行放大。在涉及电流分流器、称重传感器和热电偶等的测量中需要使用这种电路。同步检测在许多书籍、论文和仪器手册中都有说明。如果你不熟悉该主题，参考文献1是一个很好的起点。
图1显示了放大器的框图。它在仪表放大器、可调非反相放大器和低通滤波器三者之间总共提供了1000倍的固定增益。极性开关和仪表放大器用于将直流输入转换为双极性方波信号，因此就可以应用同步检测技术。
图1：放大器框图。
图2显示了框图前四个单元的电路。高品质运算放大器可提供超低失调电压、非常低的噪声和20V/µs的压摆率。所有电阻器的容差都为1%，但将R1至R6电阻器两两配对使用，所得到的容差即为0.05%。
图2：部分放大器的电路原理图(滤波器将在下面单独介绍)。
图3显示了滤波器原理图。这是一个4极点Sallen-Key低通滤波器的规范设计，直流增益为2.576(参考文献2)，截止频率为1Hz，滚降率为-80dB/dec。
图3：低通滤波器原理图。
方波振荡器基于74HC4060芯片设计。其频率设置为577Hz，也即一个在最接近的50Hz和60Hz谐波之间大致等距的质数。
图4展示了该PCB。它是一个两层板，尺寸为78×62mm(3.07×2.44")。所有模拟地都使用单独的走线单点连接到电源地。所有测量都是参考这个公共点。
图4：放大器的两层PCB。
电路性能使用自制的电压校准器(参考文献3)和6.5位万用表进行了评估。两个板子之间放置了一个100:1的分压器，以提高输入电压分辨率。
传递函数采用最佳拟合线来近似，其方程如下：
VBF=1001.1×VIN–0.013 (1)
图5显示了VOUT的实验数据与最佳拟合线之间的偏差。误差在±1mV之间。就10V的满量程电压而言，这是一个极好的结果。传递函数中的13mV失调，可以通过硬件轻松消除；或者，如果电路连接有MCU，则还可以通过固件消除。
图5：电路性能——实验数据与最佳拟合线之间的偏差在±1mV范围内。
总而言之，可以采取一些措施来改善成本和性能：
- 将信号源连接到电路板的电线，应做到尽可能短。
- 可以对U3使用失调电压规格不太极端的更便宜的运算放大器。
- 如果可能的话，可使用2极点滤波器。这样，封装中的第二个运算放大器就可用于抵消传递函数的失调。
- 使用SMD元器件，可减小PCB的尺寸和价格。
参考文献
- Orozco L. Use synchronous detection to make precision, low level measurements. Technical article MS-2698 from Analog Devices.
- Smith S. The scientist and engineer’s guide to digital signal processing. 2nd edition, Chapters 3 and 32, California technical publishing, 1999.
- Dimitrov J. DCV calibrator & reference has under 70 µV error. EDN, DIY, May 26, 2017.
–Jordan Dimitrov 是一名拥有30年经验的电气工程师和博士。他在一所多伦多社区学院教授电气与电子课程。
（原文刊登于EDN美国版，参考链接：Precision synchronous detection amplifier facilitates low voltage measurements，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2022年11月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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