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。kXtednc
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。kXtednc
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图1：放大器框图。kXtednc
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%。kXtednc
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图2：部分放大器的电路原理图(滤波器将在下面单独介绍)。kXtednc
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。kXtednc
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图3：低通滤波器原理图。kXtednc
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。kXtednc
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。kXtednc
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图4：放大器的两层PCB。kXtednc
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。kXtednc
传递函数采用最佳拟合线来近似，其方程如下：kXtednc
VBF=1001.1×VIN–0.013? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)kXtednc
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。kXtednc
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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。kXtednc
总而言之，可以采取一些措施来改善成本和性能：kXtednc
- 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。kXtednc
（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。）kXtednc
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