同步檢測(cè)是一項(xiàng)實(shí)用的技術(shù)，它可通過(guò)許多儀器儀表應(yīng)用提取低于噪底的嵌入低電平信號(hào)。例如：測(cè)量非常小的電阻，測(cè)量在強(qiáng)背景光下光的吸收或反射，或者甚至在高噪聲電平的情況下進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。

當(dāng)頻率接近直流時(shí)，許多電氣和物理系統(tǒng)都會(huì)有更高的噪聲。例如，運(yùn)算放大器有1/f的噪聲，并且露天光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)會(huì)受日光、白熾燈、熒光燈和其他光源造成的環(huán)境光照條件變化產(chǎn)生的噪聲影響。如果可以使測(cè)量遠(yuǎn)離這些低頻噪聲源，則可以獲得更高的信噪比并檢測(cè)出弱得多的信號(hào)。例如，如果您希望測(cè)量表面反射的光量，則在幾kHz下調(diào)制光源將能夠測(cè)量在較低頻率噪聲中嵌入的信號(hào)。圖1展示了信號(hào)調(diào)制在低于噪底和可恢復(fù)測(cè)量方面有多么重要。調(diào)制傳感器激勵(lì)信號(hào)的方法有不少。最簡(jiǎn)單的調(diào)制方案是反復(fù)開(kāi)啟和關(guān)閉激勵(lì)信號(hào)。這對(duì)于驅(qū)動(dòng)LED和其他類型激勵(lì)(例如應(yīng)變計(jì)橋加壓)很有效。它尤其適用于很難以電子方式調(diào)制激勵(lì)源(例如廣泛運(yùn)用于許多波譜儀器的白熾燈)的情況。在此情況下，調(diào)制就如使用機(jī)械調(diào)制盤對(duì)光進(jìn)行斬波一樣簡(jiǎn)單。

要恢復(fù)圖1中的信號(hào)，您只需設(shè)計(jì)窄帶帶通濾波器，以去除其它頻率信號(hào)僅保留目標(biāo)頻率信號(hào)，然后測(cè)量信號(hào)的幅度。在實(shí)踐中，設(shè)計(jì)具有分立組件的極窄(高Q)帶通濾波器非常具有挑戰(zhàn)性。如果規(guī)格要求極窄的濾波器，則更不可能辦到。此外，您可以使用同步解調(diào)將已調(diào)制的信號(hào)移回直流，同時(shí)濾除與參考信號(hào)不同步的其他信號(hào)。運(yùn)用此技術(shù)的儀器稱作鎖相放大器。

要簡(jiǎn)單介紹鎖定放大器，不妨首先描述圖2中所示的應(yīng)用。一個(gè)調(diào)制為1 kHz的光源照亮測(cè)試表面，一個(gè)光電二極管測(cè)量表面反射的光量，反射光量與累積的污染量成正比。假設(shè)參考信號(hào)和測(cè)量均為正弦波(頻率和相位均相同，但是幅度不同)。假設(shè)參考信號(hào)以固定的幅度驅(qū)動(dòng)光電二極管，則測(cè)量的幅度會(huì)隨著反射的光量而變化(在其他應(yīng)用中，這與測(cè)量的物理參數(shù)相對(duì)應(yīng))。

將兩個(gè)正弦波相乘的結(jié)果是頻率組分在兩個(gè)輸入正弦波之和以及之差上的一個(gè)信號(hào)。在此情況下，兩個(gè)正弦波具有相同的頻率，公式1顯示的結(jié)果表明一個(gè)直流信號(hào)，另一個(gè)信號(hào)是原始頻率兩倍(負(fù)號(hào)指示180°的相移)。低通濾波器會(huì)移除信號(hào)直流組分以外的所有組分。

如果您考慮噪雜的輸入信號(hào)，則運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)會(huì)非常明顯。多乘法級(jí)輸出仍會(huì)導(dǎo)致只有調(diào)制頻率下的信號(hào)才會(huì)移回到直流，所有其他頻率組分會(huì)移至其他非直流頻率。例如，圖3介紹了具有50 Hz和2.5 kHz強(qiáng)噪聲源的系統(tǒng)，以及使用1 kHz正弦波調(diào)制的非常弱的目標(biāo)信號(hào)。

將輸入與參考相乘將獲得直流信號(hào)，其他信號(hào)為950 Hz、1.05 kHz、1.5 kHz、2 kHz 和 3.5 kHz。直流信號(hào)包含所需的信息，因此您可以使用低通濾波器移除所有其他頻率。

由于接近目標(biāo)信號(hào)的任何噪聲組分均會(huì)在接近直流的頻率出現(xiàn)，因此挑出其附近沒(méi)有強(qiáng)噪聲源的調(diào)制頻率非常重要。如果這不可能辦到，則需要截止頻率非常低并可作出敏銳響應(yīng)的低通濾波器，并會(huì)耗費(fèi)較長(zhǎng)的建立時(shí)間。實(shí)際鎖定方案生成正弦波來(lái)調(diào)制信號(hào)源可能不切實(shí)際，有些系統(tǒng)會(huì)改用方波。生成方波激勵(lì)要比生成正弦波簡(jiǎn)單得多，使用簡(jiǎn)單的裝置(諸如可切換模擬開(kāi)關(guān)或MOSFET的微控制器引腳)即可實(shí)現(xiàn)。

圖4的電路是基于硬件的鎖定放大器的簡(jiǎn)單實(shí)施方法。微控制器或其他數(shù)字設(shè)備會(huì)生成促使傳感器作出響應(yīng)的方波激勵(lì)信號(hào)。如果是光電二極管，則第一個(gè)放大器將是電流電壓轉(zhuǎn)換器，而應(yīng)變計(jì)橋?qū)⑿枰?a target="_blank">儀表放大器。

用于激勵(lì)傳感器的信號(hào)同樣將用于控制ADG619 SPDT開(kāi)關(guān)。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)為正時(shí)，ADG619會(huì)將放大器配置為+1的增益。當(dāng)激勵(lì)為負(fù)時(shí)，ADG619會(huì)將放大器配置為–1的增益，這實(shí)質(zhì)上會(huì)“撥動(dòng)”方波的負(fù)極。這在數(shù)學(xué)上等同于將測(cè)量的信號(hào)乘以參考方波。輸出RC濾波器會(huì)移除任何其他頻率的信號(hào)，輸出電壓是直流信號(hào)，等于測(cè)量方波的峰峰值電壓的一半。

雖然該電路很簡(jiǎn)單，但針對(duì)任務(wù)要求挑選正確的運(yùn)算放大器很重要。輸入交流耦合級(jí)將除去大部分低頻輸入噪聲，但是不會(huì)從最后一個(gè)放大器中濾除任何1/f噪聲和失調(diào)誤差。ADA4077-1具有0.1 Hz到10 Hz的250 nV p-p噪聲以及0.55 ?V/ °C的失調(diào)漂移，這使其成為該應(yīng)用的理想選擇。

使用基于方波的鎖定放大器需要簡(jiǎn)單的電路，但是其噪聲抑制性能要遜于使用正弦波的系統(tǒng)。圖5展示了使用方波作為傳感器激勵(lì)和參考信號(hào)的頻率域表示。方波由基波和所有奇次諧波的無(wú)窮正弦波的和構(gòu)成。將兩個(gè)同頻方波相乘需將參考信號(hào)的每個(gè)正弦組分乘以測(cè)量信號(hào)的每個(gè)正弦組分。結(jié)果將獲得包含方波的每個(gè)諧波能量的直流信號(hào)。

不會(huì)濾除在任何奇次諧波頻率出現(xiàn)的任何無(wú)用信號(hào)(雖然它們將根據(jù)所在的諧波范圍按比例縮小)。當(dāng)設(shè)計(jì)基于方波的鎖定放大器時(shí)，挑選的調(diào)制頻率務(wù)必不含任何頻率諧波或已知噪聲源諧波。例如，選擇1.0375 kHz(與50 Hz或60 Hz的諧波不一致)，而不選擇1 kHz調(diào)制頻率(第20個(gè)50 Hz的諧波)。即使有此缺點(diǎn)，但電路簡(jiǎn)單、成本低。與嘗試直流測(cè)量相比，使用低噪放大器并挑選合適的調(diào)制頻率仍然可獲得更大的改善。