同步检波器：提升低电平测量精度的关键技术

"同步检波器在精密低电平测量中的应用" 同步检波器是一种重要的信号处理技术，尤其在需要从噪声背景中提取微弱信号的场合，如电阻测量、光吸收或反射测量以及应变检测等。这种技术的核心在于能够有效地提取那些被噪声淹没的信号，从而提高测量的精度和可靠性。 在许多系统中，特别是在低频区域，噪声往往显著增加，例如运算放大器的1/f噪声问题。1/f噪声是指噪声的功率密度与频率成反比，这在低频段尤为突出。此外，光学测量也常常受到环境光变化引起的噪声影响。为了改善这种情况，可以通过调制信号到较高的频率，避开低频噪声区域，以提高信噪比。例如，可以将光源调制到几千赫兹，这样就能检测到原本无法辨识的反射光信号，如图1所示。 调制信号的方法可以多样化，比如通过开关控制LED、电压源等激励源的开启和关闭，或者对于不便于开关的光源，可以利用机械快门来实现调制。然而，为了从调制后的信号中恢复原始信息，需要一个窄带带通滤波器来消除不必要的频率成分。尽管设计这样的滤波器可能具有挑战性，但同步检波器或锁定放大器提供了一种更为简便的解决方案。 锁定放大器是一种特殊的同步检波器，它可以将调制信号转换为直流信号，同时抑制与参考信号不同步的信号。在图2所示的应用实例中，锁定放大器用于测量表面污染程度。调制光源照射测试表面，反射光的强度与污染程度成比例。通过光电二极管检测这个反射光，其信号与参考信号相乘后，经过低通滤波器，仅保留直流分量，从而得到与污染程度相关的信号。 当系统存在高噪声源，如图3的情况，50Hz和2.5kHz的噪声源共存，而目标信号以1kHz正弦波调制。同步检波器在此时的作用尤为突出，相乘操作只将调制频率的信号还原为直流，而其他频率成分则被移到非零频率，通过低通滤波器进一步去除，使得微弱信号得以清晰识别。 同步检波器是提升低电平测量精度的关键工具，它能有效对抗噪声干扰，适用于各种物理量的精确测量，包括电阻、光吸收、反射和应变等。通过调制技术和锁定放大器的结合，可以实现对淹没在噪声中的微弱信号的准确探测和分析。