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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(shí)用的電路，該電路實(shí)現了同步檢測以放大具有高線(xiàn)性度和出色抗噪性的小直流電壓。在涉及電流分流器、稱(chēng)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(shū)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(gè)很好的起點(diǎn)。
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(kāi)關(guān)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(shù)。
圖1放大器框圖。
圖2顯示了框圖前四個(gè)單元的電路。高品質(zhì)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(gè)在最接近的50-Hz和60-Hz諧波之間大致相等的質(zhì)數。
圖 4顯示了PCB。它是一個(gè)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(diǎn)的單獨走線(xiàn)。所有測量都參考這個(gè)共同點(diǎn)。
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(wàn)用表評估電路性能。兩個(gè)板之間放置了一個(gè)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(xiàn)近似；線(xiàn)方程如下：
(1) V BF = 1001.1 * V IN – 0.013
圖5顯示了V OUT的實(shí)驗數據與最佳擬合線(xiàn)之間的偏差。誤差在+1和-1 mV之間。參考10 V的滿(mǎn)量程電壓，這是一個(gè)極好的結果。傳遞函數中的13 mV偏移可以通過(guò)硬件輕松消除，如果電路連接到微控制器，則可以通過(guò)固件消除。
圖5電路性能：實(shí)驗數據與最佳擬合線(xiàn)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(lái)提高成本和性能：
將信號源連接到電路板的電線(xiàn)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(gè)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(jià)格。