冰川冻土张晓飞1，董浩斌1，鲁永康1，常莉1
1中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，武汉(430074)
E-mail：z_afei@163
摘要：本文利用AD790及74HC4053的高速特性以及低噪声前置放大器，设计与制作了一款同步检波电路。实测结果表明，电路有良好的线性，对检测微弱信号的下限可达1uV，适用于对低频微弱信号的检测。 关键词：高速电压比较器，高速模拟开关，开关式同步检波器，低噪声前置放大器
中图分类号：TN722
1．引言
众所周知，对于待测的微弱信号，相敏检波电路有着极强的压制干扰的能力，是锁定放大器件（LIA）的核心电路，使LIA广泛应用于物理、化学、生物医学与地球物理探测等众多领域，并促进了这些领域的科
学研究。在相敏检波电路中，通常可分为模拟乘法器型及电子开关型两大类，前者有多款集成芯片（如AD734等）可供选择，但模拟乘法器型相敏检波器的输出正比于参考信号的大小，要保持参考信号的高精度，在实际实现中有一定困难，且存在一定的非线性[1]；开关式相敏检波器的优点有输出精度不受参考信号幅度的影响，线性良好，动态范围大等一系列优点[1]，故本设计中选择之。氮
2．开关同步检波器的设计要点
本文所设计的开关式同步检波器的电路框图如图1所示，由参考信号通道及待测信号通道两部分组成。
图1 电路框图
（1）在参考信号通道中，Ⅳ单元为过零比较器，其输出控制V单元的一刀二掷模拟开关。毋庸置疑，在开关式相敏检波电路中，这两个单元的工作速度将直接限制上限使用频率，故我们分别选择高速电压比较器AD790和高速模拟开关74HC4503[2]。
（2）在待测通道中，信号可能在n µV ~ n V范围内，为了适应不同的输入电压的需求，故设计了I、II、III三个单元电路作为放大器。三个单元电路的放大倍数均为10.0倍，通过一刀三掷开关SW1进行切换，则SW1输出信号的增益Ku可分别为10、100及1000。
值得指出，放大器的噪声水平、可输出的最大不失真电压、放大倍数的稳定性等分别影响到最小可检测信号、线性、及测量精度，为了能可靠的检测出µV数量级的信号，应选用低噪声前置放大器，我们设计了一款超低噪声前置放大器（将另文发表）。这三个放大单元
均采用这种电路。
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（3）SW1的输出信号经过隔直电容C1加到R1，R2。设计中R=R1=R2=10k Ω，C1=10µF，要求R<<Rs 、R<<Ro 以及R<<Ron ，（Rs 、Ro 、Ron 分别为信号源电阻、放大器输出电阻、以及模拟开关的导通电阻），以保证检测精度。
另外，RC 的时间常数将直接影响到可工作的最低频率，当RC 偏小时，会导致较低频率的相移，故设计中应从最低工作频率出发选择适当的电容容量。
（4）框图中的Ⅵ单元为差分放大电路，采用三片低噪声、低失调、低漂移、单位增益带宽为8MHz 的运算放大器OP27，并加上调零电路，电路如图2所示。
图2 高共模抑制比差分放大电路 图3 各点信号波形图
由于采用高共模抑制比的差分电路，当R1=R2=R3=R4时，电路的放大倍数为1。其输出可以直接接到2
1
4
双积分型数字电压表显示直流电压值。（若采用简单或稍复杂一些的低通电路则效果更好一些。）
应该指出：因为待测信号为正弦信号时，交直流转换由下式决定：
KuUi Ku
Ui o U 90032.022=×
=π
（1） 框图中各点的信号波形如图3所示。
3 测试条件和测试结果
如前所述，信号通道的输入电压范围较大，为了测试同步检波电路的性能指标如线性、频率特性，尤其是对微弱信号的检测能力等，我们还采用了如图4所示的两种连续可调衰减器。
图4 两种连续可调衰减器
图4中的Ui 接到固伟SFG-2110型数字正弦信号发生器的输出端， FLUKE 45型数字电
压表的交直流电压档则分别测量微调电位器滑动端的交流电压Up 及同步检波电路的输出直流电压Uo 。
3.1对较大信号的测试结果
当SW1接通第I 级放大器，衰减器用图4（a ）电路，Ui 固定为600mV 左右，使Up 在0~200mV 范围内可调。因信号源的输出正弦幅度-频率特性及稳定性能良好，所以在测量中10Hz 、100Hz 、1kHz 、30kHz 及100KHz 各频率变换时，每次在1kHz 条件下调准Up 值后，不再调节微调电位器。实测结果如表1所示。
对于正弦信号，由式1中可得K 的理论值如式2式所示：
Ku Ku K ×=⋅
=90032.02
2π
理 (2) 式中Ku 为第I 级的放大倍数，已测得1kHz 条件下为10.02倍。实际计算时，将输出直流电压减去输入短接时的输出后再除以输入信号的有效值Ui 。根据实测结果而求出各点的K 值后，再按照式3算出相对误差δK ，可得表2。
1)/(−=理K K i K δ (3)
表1 同步检波电路实测结果表
Uo(V)
Up(mV)
10Hz
100Hz 1kHz 10kHz 30kHz 100kHz 200.05 1.7650 1.8038 1.0805 1.8001 1.7761 1.6478 179.97 1.5939 1.6223 1.6240 1.6200 1.5979 1.4783 159.91 1.4133 1.4421 1.4430 1.4398 1.4198 1.3104 139.99 1.2382 1.2620 1.2631 1.2605 1.2313 1.1445 120.02 1.0644 1.0823 1.0829 1.0811 1.0657 0.9790 99.99 0.8825 0.9016 0.9023 0.9010 0.8880 0.8131 80.02 0.7091 0.7212 0.7219 0.7212 0.7108 0.6484 60.00 0.5310 0.5411 0.5414 0.5409 0.5331 0.4843 39.98 0.3540 0.3607 0.3609 0.3605 0.3553 0.3214 20.00 117.43(mV) 180.30(mV) 180.47(mV) 180.32(mV) 177.7(mV) 160.11(mV) 10.01 88.51(mV) 90.14(mV) 90.23(mV) 90.18(mV) 88.88(mV) 79.99(mV) 0.00 -0.01mV
舒马赫-0.01mV
0.00(mV)
0.07(mV)
0.09(mV)
榆次五中
0.04(mV)fitc
表2 由表1数据整理而得的误差数据表
10Hz 100Hz 1kHz 10kHz 30kHz 100kHz Kmax 8.8712 9.0200 9.024 9.0333 8.9183 8.2349 Kmin 8.827 9.014 9.014 8.9948 8.805 7.987 Kmax/Kmin 1.0050 1.0007 1.0011 1.0043 1.0129 1.0310 δK (×10-3)
-21.5~-16.7
-0.13~-0.79
-0.97~-0.31
-2.9~+1.3
-21.7~24.0
-87.2~-114.6
① 由表2可见，同步检波电路在10Hz ~10kHz 范围内线性误差（由Kmax/Kmin 表示） 在5×10-3以内，表明输入到同步检波电路的信号从100mV~2V 之间具有良好的线性，通常在小信号输入时线性误差大（10Hz 除外），随着频率的增加30kHz~100kHz 线形误差亦增大。
② 相对误差δK 在1kHz 时最小，频率降低或稍高时相对误差均有所增加。低频端误差是 由该级f L 并非足够低所导致，在高频端尤其是100kHz 时，从示波器可观察到开关时间明显
提前于信号的过零点，造成较大误差。
3.2对微弱信号的测试结果
为了检验电路对微弱信号的检测能力，我们利用图4（b）所示的可调衰减器，对输入信号先衰减1000倍，再放大1000倍（即SW1接到放大器Ш的输出端，在没有采取任何屏蔽措施的条件下进行测量，结果如表3所示。
表3 对微弱信号的测试结果表（1kHz条件下）
由表3可见，当Vin为8~10μV时，表征线性关系的K不变，当信号小于8μV后，K 值愈来愈小，即随着输入信号的减小，测量误差逐步增加，但是1μV信号的测量误差为-7.8%。对于更小信号的测量，在这一电路中，主要受放大倍数的制约，对微弱信号的检测能力不可能无限制的提高其检测灵敏度。
当电路用线性检波电路替代同步检波时，因为受干扰严重，根本无法读到准确的读数，这正是同步检波与线性检波的本质区别，表明同步检波电路有良好的抗干扰能力。
4．结论
（1）主要是利用AD790及74HC4053等具有优良高速特性的开关式同步检波电路，具有良好的线性与较小的测量误差，在无屏蔽条件下可检测最小信号下限可达1μV左右，若适当增大放大倍数，采取屏蔽措施，被测信号的下限可望相应的提高。
（2）本电路具有简单、实用及低成本特点，尽管在设计中尽可能地选用前述高速器件，但工作频率上限仍受制约。本电路适宜与30kHz以下工作，当频率较高时，选用模拟乘法电路为佳。
参考文献
[1] 高晋占。微弱信号检测［Ｍ］。北京清华大学出版社，2004.11
[2] 吴丽华，童子权，张剑。电子测量电路［Ｍ］。哈尔滨工业大学出版社，2004.6
作者简介：
张晓飞(1981- )，男，现为中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院研究生，专业：检测技术与自动化装置。Email: z_afei@163
Design of on-off synchronous demodulation circuit Zhang Xiaofei1Dong Haobin1Lu Yongkang1Chang Li1 (Institute of Mechanical & Electronic Engineering，China University of Geosciences，Wuhan
430074，China)
Abstract
A kind of synchronous demodulation circuit which utilize the high speed characteristics of AD790 and 74HC4053 and the low noise pre-amplifier is presented. The test result shows that the circuit has good linearity, the lower limit of which could reach 1uV for low frequence weak signal detection. Keywords:high speed voltage comparator, high analog switch, on-off synchronous demodulation,Low noise pre-amplifier
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