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精密同步檢測放大器有助于低壓測量
精密同步檢測放大器有助于低壓測量
該設計理念提出了一種實用的電路，該電路實現了同步檢測以放大具有高線性度和出色抗噪性的小直流電壓。在涉及電流分流器、稱重傳感器、熱電偶等的測量中需要這種電路。同步檢測在許多書籍、論文和儀器手冊中都有解釋。如果您不熟悉該主題，參考 1 是一個很好的起點。
圖1顯示了放大器的框圖。它在儀表放大器、可調非反相放大器和低通濾波器之間提供1000倍的固定增益。極性開關和儀表放大器將直流輸入轉換為雙極性方波信號，因此可以應用同步檢測技術。
圖1放大器框圖。
圖2顯示了框圖前四個單元的電路。高品質運算放大器提供超低失調電壓、非常低的噪聲和20 V/μs的壓擺率。所有電阻器都有1 %的容差，但R1至R6電阻器成對匹配至0.05 %。
圖2部分放大器的電路原理圖（濾波器在下面單獨介紹）。
圖3顯示了濾波器示意圖。它是4極Sallen-Key低通濾波器的規范設計，直流增益為2.576（參考文獻 2），截止頻率為1 Hz，截止率為-80 dB/dec。
圖3低通濾波器示意圖。
方波振蕩器基于74HC4060芯片。頻率設置為577 Hz，這是一個在最接近的50-Hz和60-Hz諧波之間大致相等的質數。
圖 4顯示了PCB。它是一個兩層板，尺寸為78 mm x 62 mm (3.07” x 2.44”)。所有模擬地都使用連接到電源地單點的單獨走線。所有測量都參考這個共同點。
圖4放大器的兩層PCB。
使用自制電壓校準器（參考3）和6.5位萬用表評估電路性能。兩個板之間放置了一個100:1分壓器，以提高輸入電壓分辨率。
傳遞函數用最佳擬合線近似；線方程如下：
(1) V BF = 1001.1 * V IN – 0.013
圖5顯示了V OUT的實驗數據與最佳擬合線之間的偏差。誤差在+1和-1 mV之間。參考10 V的滿量程電壓，這是一個極好的結果。傳遞函數中的13 mV偏移可以通過硬件輕松消除，如果電路連接到微控制器，則可以通過固件消除。
圖5電路性能：實驗數據與最佳擬合線之間的偏差在±1 mV范圍內。
總而言之，您可以采取一些措施來提高成本和性能：
將信號源連接到電路板的電線盡可能短。
U3可以使用具有較少極端偏移電壓規格的更便宜的運算放大器。
如果可能，請使用2極濾波器。封裝中的第二個運算放大器可用于取消傳遞函數的偏移。
使用SMD零件將減小PCB的尺寸和價格。