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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(shè)計(jì)理念提出了一種實(shí)用的電路，該電路實(shí)現(xiàn)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(cè)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(diào)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(guān)和儀表放大器將直流輸入轉(zhuǎn)換為雙極性方波信號(hào)，因此可以應(yīng)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(yùn)算放大器提供超低失調(diào)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(duì)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(dú)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(guī)范設(shè)計(jì)，直流增益為2.576（參考文獻(xiàn) 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(shè)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(shù)。
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(dú)走線。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(zhǔn)器（參考3）和6.5位萬用表評(píng)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(shù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(gè)極好的結(jié)果。傳遞函數(shù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與最佳擬合線之間的偏差在±1 mV范圍內(nèi)。
總而言之，您可以采取一些措施來提高成本和性能：
將信號(hào)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(guī)格的更便宜的運(yùn)算放大器。
如果可能，請(qǐng)使用2極濾波器。封裝中的第二個(gè)運(yùn)算放大器可用于取消傳遞函數(shù)的偏移。
使用SMD零件將減小PCB的尺寸和價(jià)格。