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精密同步检测放大器有助于低压测量
精密同步检测放大器有助于低压测量
该设计理念提出了一种实用的电路，该电路实现了同步检测以放大具有高线性度和出色抗噪性的小直流电压。在涉及电流分流器、称重传感器、热电偶等的测量中需要这种电路。同步检测在许多书籍、论文和仪器手册中都有解释。如果您不熟悉该主题，参考 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之间提供1000倍的固定增益。极性开关和仪表放大器将直流输入转换为双极性方波信号，因此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。高品质运算放大器提供超低失调电压、非常低的噪声和20 V/µs的压摆率。所有电阻器都有1 %的容差，但R1至R6电阻器成对匹配至0.05 %。
图2部分放大器的电路原理图（滤波器在下面单独介绍）。
图3显示了滤波器示意图。它是4极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1 Hz，截止率为-80 dB/dec。
图3低通滤波器示意图。
方波振荡器基于74HC4060芯片。频率设置为577 Hz，这是一个在最接近的50-Hz和60-Hz谐波之间大致相等的质数。
图 4显示了PCB。它是一个两层板，尺寸为78 mm x 62 mm (3.07” x 2.44”)。所有模拟地都使用连接到电源地单点的单独走线。所有测量都参考这个共同点。
图4放大器的两层PCB。
使用自制电压校准器（参考3）和6.5位万用表评估电路性能。两个板之间放置了一个100:1分压器，以提高输入电压分辨率。
传递函数用最佳拟合线近似；线方程如下：
(1) V BF = 1001.1 * V IN – 0.013
图5显示了V OUT的实验数据与最佳拟合线之间的偏差。误差在+1和-1 mV之间。参考10 V的满量程电压，这是一个极好的结果。传递函数中的13 mV偏移可以通过硬件轻松消除，如果电路连接到微控制器，则可以通过固件消除。
图5电路性能：实验数据与最佳拟合线之间的偏差在±1 mV范围内。
总而言之，您可以采取一些措施来提高成本和性能：
将信号源连接到电路板的电线尽可能短。
U3可以使用具有较少极端偏移电压规格的更便宜的运算放大器。
如果可能，请使用2极滤波器。封装中的第二个运算放大器可用于取消传递函数的偏移。
使用SMD零件将减小PCB的尺寸和价格。