如何实现精密低信噪比、低电平信号测量?从锁相放大器说起

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信号调理电路中,信噪比(SNR)是一个非常重要的概念,它是指一个电子信号系统中信号和噪声之间的比例(信噪比 = 10lg (Ps/Pn)Ps为信号的有效功率,Pn为 噪声的有效功率)。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号,噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号(或信息),并且该种信号并不随原信号的变化而变化。

通常来说信噪比越大,夹杂在有效信号中的噪声便越小,可以提取到的有效信号质量就会越好;一般的信号系统信噪比达到 100dB 以上 ,音响系统就可以达到 120-130dB 左右; 而当信噪比在达到 -50 或者 更低至-60dB一下的情况下,提取的信号相对于噪声信号是非常小的,有没有可能检测这种微弱信号呢?

极低信噪比信号的处理,从锁相放大器谈起

这种应用可以求助于锁相放大器,锁相放大器(也有称为相位检测器)是一种可以从干扰极大的环境(信噪比可低至-60dB,甚至更低)中分离出特定载波频率信号的放大器。

锁相放大器是根据正弦函数的正交性原理工作。简单来说,锁相放大器就是利用了积化和差的三角函数变换,如果一个频率为α的正弦函数和一个频率为β的正弦函数相乘的话,假设此时他们的相位也是相同的,那我们就会得到平均值是幅值乘积的一半。

锁相测量方法可提取以参考频率为中心的指定频带内的信号,有效滤除所有其他频率分量。如今,市面上最好的锁相放大器具有高达120 dB 的动态储备,意味着这些放大器可以在噪声幅值超过期望信号幅值百万倍的情况下实现精准测量。

几十年来,随着科技的不断发展,研究人员已经针对锁相放大器研发出诸多不同的应用方法。如今的锁相放大器主要用作精密交流电压仪和交流相位计、噪声测量单元、阻抗谱仪、网络分析仪、频谱分析仪以及锁相环中的鉴相器。

如何从极低信噪比中分离出特定载波频率信号?

基于锁相放大器可提取淹没在噪底内的小信号,用于进行各种物理量测量,例如极小的电阻、明亮背景下的光吸收或反射量,或者存在于高噪声电平下的应变。在很多系统中,随着频率趋近于零,噪声会不断增加。例如,运算放大器具有1/f 噪声,而光学测量易受因环境光条件变化而产生的噪声影响。在远离低频噪声处进行的测量可提高信噪比,从而可检测到较弱信号。例如,将光源调制到几千赫兹有助于测量原本会淹没在噪底内的反射光。通过调制可以使信号远离噪声源,而调制激励信号的方法有多种,本文不做赘述。

窄带带通滤波器可滤除目标频率以外的所有其他频率,使原始信号得以恢复,但使用分立元器件设计所需的滤波器可能很难。另一种方法是考虑使用同步解调器,该器件可将调制信号恢复至直流,同时抑制与参考信号不同步的各信号。运用这种技术的设备称为锁定放大器。下图显示了一个简单的锁定放大器应用。用一个调制为1 kHz 的光源照射测试表面。再由光电二极管测量测试表面反射的光线,其强度与表面的污染程度成比例。参考信号和测量信号都是正弦波,并且频率和相位相同,但幅度不同。驱动光电二极管的参考信号具有固定幅度,而测量信号的幅度会随反射光量而变化。

 

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两个正弦波相乘所得的结果是一个具有和频与差频形式频率分量的信号。这里,两个正弦波具有相同的频率,因此结果是一个直流信号和一个两倍于原始频率的信号。负号表示它具有180°的相移。低通滤波器会滤除信号中直流分量以外的所有分量。

 

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基于ADA2200搭建锁相放大器应用

亚德诺(ADI)在信号调理领域经验丰富,在其众多产品中,能实现此类应用的锁相放大器有ADA2200。作为一款集成化的比较完美的器件, ADA2200是一款采样模拟技术同步解调器,包含缓冲输入、可编程IIR滤波器、乘法器和可将参考信号偏移90°的模块,可轻松测量或补偿参考时钟和输入信号之间的相移。ADA2200广泛用于工业、医疗和通信应用中的信号调理。

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基于 ADA2200搭建锁相放大器应用

主时钟通过 CLKIN 给到ADA2200,ADA2200集成一对片内时钟分频器,用来产生系统时钟。输入时钟分频器 CLKIN DIV[2:0] 通过对 CLKIN 信号进行分频处理,设置抽取器的输入采样速率 (fSI)CLKIN DIV[2:0] 数值可设为1、16、64 或 256。输出采样速率 (fSO) 始终等于抽取器输入采样速率的1/8RCLK 分频器 RCLK DIV[1:0] 通过将 fSO 进行 或 8 分频,设置混频器频率 fM (同时也是 RCLK 的频率)。RCLK 用来激励传感器,相当于调制的过程,传感器信号经过放大器缓冲单端进入ADA2200进行IQ双相位解调;值得注意的是ADA2200内部并非通过参考信号与输入信号相乘实现解调,而是通过在半采样输出周期内保持输出不变而实现的。此操作类似于输入信号的半波解调。ADA2200集成ADC驱动,可以将结果直接给到ADC当中,简化信号链的设计。

使用ADA2200 实现锁相检测电路时,只需施加等于所需参考频率64倍的时钟频率。可编程滤波器的默认配置为带通响应,因而无需对信号进行交流耦合。模拟输出将以数倍于采样速率的速度生成镜像,因此可使用RC 滤波器后接Σ-Δ 型ADC 来滤除这些镜像,而仅测量信号的解调直流分量。

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