圖3. 同步解調(diào)在有50 Hz和2.5 kHz強(qiáng)噪聲源的情況下拾取1 kHz弱信號(hào)

近目標(biāo)信號(hào)的任何噪聲分量均會(huì)出現(xiàn)在接近直流的頻率上，因此必須選擇附近沒(méi)有強(qiáng)噪聲源的調(diào)制頻率，這點(diǎn)非常重要。如果無(wú)法做到這一點(diǎn)，則需要使用截止頻率極低且響應(yīng)敏銳的低通濾波器，但代價(jià)是建立時(shí)間較長(zhǎng)。

實(shí)用鎖定實(shí)現(xiàn)方案

生成正弦波來(lái)調(diào)制信號(hào)源可能不切實(shí)際，因此有些系統(tǒng)會(huì)改用方波。生成方波激勵(lì)要比生成正弦波簡(jiǎn)單得多，使用簡(jiǎn)單的裝置（諸如可切換模擬開(kāi)關(guān)或MOSFET 的微控制器引腳）即可實(shí)現(xiàn)。

圖4 顯示了一種實(shí)現(xiàn)鎖定放大器的簡(jiǎn)單方法。由微控制器或其他器件生成促使傳感器作出響應(yīng)的方波激勵(lì)。第一個(gè)放大器是跨導(dǎo)放大器（用于光電二極管）或儀表放大器（用于應(yīng)變計(jì)）。
用于激勵(lì)傳感器的信號(hào)還用于控制ADG619 SPDT 開(kāi)關(guān)。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)為正時(shí)，放大器配置為增益+1。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)為負(fù)時(shí)，放大器配置為增益-1。這在數(shù)學(xué)上相當(dāng)于將測(cè)量信號(hào)乘以參考方波。輸出RC 濾波器會(huì)濾除任何其他頻率的信號(hào)，因此輸出電壓是直流信號(hào)，大小等于測(cè)量方波的峰峰值電壓的一半。

圖4. 使用方波激勵(lì)的鎖定放大器

雖然電路比較簡(jiǎn)單，但選擇正確的運(yùn)算放大器非常重要。交流耦合輸入級(jí)可濾除大部分的低頻輸入噪聲，但不會(huì)濾除1/f 噪聲和最后一個(gè)放大器產(chǎn)生的失調(diào)誤差。ADA4077-1 精密放大器在0.1 Hz到10 Hz 范圍內(nèi)具有250 nV p-p 噪聲以及0.55 μV/ °C的失調(diào)漂移，因此非常適合此應(yīng)用。

基于方波的鎖定放大器比較簡(jiǎn)單，但其噪聲抑制性能及不上使用正弦波的鎖定放大器。圖5 顯示了方波激勵(lì)和參考信號(hào)的頻域表示。方波由基波和所有奇次諧波的正弦波無(wú)窮和構(gòu)成。將兩個(gè)同頻方波相乘需要將參考信號(hào)的每個(gè)正弦分量乘以測(cè)量信號(hào)的每個(gè)正弦分量。所得到的是包含方波的每個(gè)諧波能量的直流信號(hào)。奇次諧波頻率下出現(xiàn)的干擾信號(hào)不會(huì)被濾除，不過(guò)會(huì)有所減弱，具體取決于其所處的諧波。因此，選擇調(diào)制頻率時(shí)應(yīng)確保其諧波不是任何已知噪聲源的頻率或諧波，這點(diǎn)非常重要。例如，要抑制線路噪聲，應(yīng)選擇1.0375 kHz 的調(diào)制頻率（不會(huì)與50 Hz 或60 Hz的諧波重合），而不是使用1 kHz（這是50 Hz 的第20 個(gè)諧波）。

盡管有此缺點(diǎn)，但該電路簡(jiǎn)單、成本低。與嘗試進(jìn)行直流測(cè)量相比，使用低噪聲放大器并選擇合適的調(diào)制頻率仍然可帶來(lái)大幅改進(jìn)。

圖5. 如果輸入信號(hào)(A)和參考信號(hào)(B)都是方波，則將它們相乘(C)可有效 解調(diào)輸入信號(hào)的每個(gè)諧波。

簡(jiǎn)單的集成替代方案

圖4 中的電路需要一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一些分立元器件，另外還需要微處理器提供參考時(shí)鐘。一種替代方案是使 用集成式同步解調(diào)器，如圖6 所示。ADA2200 包含緩沖輸入、可編程IIR濾波器、乘法器和可將參考信號(hào)偏移90°的模塊，可輕松測(cè)量或補(bǔ)償參考時(shí)鐘和輸入信號(hào)之間的相移。

圖6. ADA2200 功能框圖

使用ADA2200 實(shí)現(xiàn)鎖定檢測(cè)電路時(shí)，只需施加等于所需參考頻率64 倍的時(shí)鐘頻率，如圖7 所示?？删幊虨V波器的默認(rèn)配置為帶通響應(yīng)，因而無(wú)需對(duì)信號(hào)進(jìn)行交流耦合。模擬輸出將以數(shù)倍于采樣速率的速度生成鏡像，因此可使用RC 濾波器后接Σ-Δ 型ADC 來(lái)濾除這些鏡像，而僅測(cè)量信號(hào)的解調(diào)直流分量。