同步检波器提升精密低频测量：信噪比优化与应用实例

电子测量中的同步检波器在精密低电平测量中扮演着关键角色。这些装置的核心功能是处理那些淹没在噪声背景中的微弱信号，如极小电阻、在高亮度背景下的光吸收或反射，以及在高噪声环境中检测的微小应变。随着频率接近零，噪声水平通常会显著上升，如运算放大器的1/f噪声和光学测量对光照变化的敏感性。通过将信号调制到较高的频率，比如几千赫兹，可以将它们从噪声背景中分离出来，如图1所示，调制技术能够有效地恢复这些原本难以察觉的信号。 图1演示了如何利用调制手段将信号从噪声源中移开，最基础的方式是简单的开/关操作，这对于驱动LED和应变计电桥等设备非常适用。对于某些不易控制的激励源，如白炽灯泡，可以通过机械快门来实现光的调制。 同步检波器通常采用窄带带通滤波器，它能滤除除目标频率外的其他频率，帮助恢复原始信号。然而，设计这样的滤波器可能涉及复杂的硬件集成。作为一种替代方案，同步解调器，如锁定放大器，能够将调制信号恢复到直流状态，同时抑制与参考信号不同步的干扰。图2展示了一个使用锁定放大器测量表面污染程度的应用实例：通过1kHz调制的光源照射被测表面，光电二极管测量反射光，参考信号和测量信号作为正弦波，具有相同的频率和相位，但幅度不同。通过这种方式，锁定放大器可以精确地提取出与污染程度相关的信号，即使在复杂噪声环境下也能实现高精度测量。 同步检波器是电子测量中的重要工具，通过巧妙地利用调制技术和锁定放大器原理，能够克服低频噪声的挑战，提高测量的灵敏度和准确性，为精密的低电平测量提供了强大的支持。