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有助于低压测量的精密同步检波放大器设计

2022-11-15 14:18:56 Jordan Dimitrov 阅读:
本设计实例提出了一种实用电路,借此就可实现同步检测,进而以高线性度和出色的抗噪性对小直流电压进行放大。在涉及电流分流器、称重传感器和热电偶等的测量中需要使用这种电路。

本设计实例提出了一种实用电路,借此就可实现同步检测,进而以高线性度和出色的抗噪性对小直流电压进行放大。在涉及电流分流器、称重传感器和热电偶等的测量中需要使用这种电路。同步检测在许多书籍、论文和仪器手册中都有说明。如果你不熟悉该主题,参考文献1是一个很好的起点。Ynlednc

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三者之间总共提供了1000倍的固定增益。极性开关和仪表放大器用于将直流输入转换为双极性方波信号,因此就可以应用同步检测技术。Ynlednc

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图1:放大器框图。Ynlednc

2显示了框图前四个单元的电路。高品质运算放大器可提供超低失调电压、非常低的噪声和20V/µs的压摆率。所有电阻器的容差都为1%,但将R1至R6电阻器两两配对使用,所得到的容差即为0.05%。Ynlednc

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图2:部分放大器的电路原理图(滤波器将在下面单独介绍)。Ynlednc

3显示了滤波器原理图。这是一个4极点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1Hz,滚降率为-80dB/dec。Ynlednc

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图3:低通滤波器原理图。Ynlednc

方波振荡器基于74HC4060芯片设计。其频率设置为577Hz,也即一个在最接近的50Hz和60Hz谐波之间大致等距的质数。Ynlednc

4展示了该PCB。它是一个两层板,尺寸为78×62mm(3.07×2.44")。所有模拟地都使用单独的走线单点连接到电源地。所有测量都是参考这个公共点。Ynlednc

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图4:放大器的两层PCB。Ynlednc

电路性能使用自制的电压校准器(参考文献3)和6.5位万用表进行了评估。两个板子之间放置了一个100:1的分压器,以提高输入电压分辨率。Ynlednc

传递函数采用最佳拟合线来近似,其方程如下:Ynlednc

VBF=1001.1×VIN–0.013                    (1)Ynlednc

5显示了VOUT的实验数据与最佳拟合线之间的偏差。误差在±1mV之间。就10V的满量程电压而言,这是一个极好的结果。传递函数中的13mV失调,可以通过硬件轻松消除;或者,如果电路连接有MCU,则还可以通过固件消除。Ynlednc

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图5:电路性能——实验数据与最佳拟合线之间的偏差在±1mV范围内。Ynlednc

总而言之,可以采取一些措施来改善成本和性能:Ynlednc

  • 将信号源连接到电路板的电线,应做到尽可能短。
  • 可以对U3使用失调电压规格不太极端的更便宜的运算放大器。
  • 如果可能的话,可使用2极点滤波器。这样,封装中的第二个运算放大器就可用于抵消传递函数的失调。
  • 使用SMD元器件,可减小PCB的尺寸和价格。

参考文献

  1. Orozco L. Use synchronous detection to make precision, low level measurements. Technical article MS-2698 from Analog Devices.
  2. Smith S. The scientist and engineer’s guide to digital signal processing. 2nd edition, Chapters 3 and 32, California technical publishing, 1999.
  3. Dimitrov J. DCV calibrator & reference has under 70 µV error. EDN, DIY, May 26, 2017.

–Jordan Dimitrov 是一名拥有30年经验的电气工程师和博士。他在一所多伦多社区学院教授电气与电子课程。Ynlednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Precision synchronous detection amplifier facilitates low voltage measurements,由Franklin Zhao编译。)Ynlednc

本文为《电子技术设计》2022年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Ynlednc

责编:Franklin
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