發布日期：2022-04-17 點擊率：13
同步解調可以解決很多傳感器信號調理所共有的特性挑戰。低于1 MHz激勵頻率且動態范圍要求為80 dB至100 dB的系統可以采用低成本、低功耗模擬電路；該方法所需的數字后處理極少。了解相敏檢波器的工作原理以及傳感器輸出端的噪聲特性是確定系統濾波器要求的關鍵。
傳感器激勵
傳感器隨處可見，它們用來測量溫度、光照、聲音和其他各種環境參數。一些傳感器的輸出電壓或電流取決于某些物理參數。例如，熱電偶產生與參考結點和測量點之間溫度差成比例的電壓。大部分傳感器的傳遞函數相對于物理參數遵循已知的關系。傳遞函數通常是一個阻抗，電流是傳感器輸入，而傳感器兩端的電壓表示目標參數。阻性傳感器（比如稱重傳感器、RTD和電位計）分別用來測量應力、溫度和角度。就一階而言，阻性傳感器與頻率無關，并且沒有相位響應。
很多傳感器因為它們的傳遞函數隨頻率和相位改變，所以要求使用交流激勵信號。這樣的例子有感性近距離傳感器和容性濕度傳感器。生物阻抗測量可以獲取有關呼吸率、脈搏率、水合作用和其他各種生理參數。這些情況下，幅度、相位（或兩者）都可用來確定檢測參數的數值。
在某些應用中，傳感器可以把待測樣本轉換成感應器。例如，色度計使用LED將光線照射穿過待測液體樣本。樣本的光吸收調制光電二極管檢測的光量，以便揭示待測液體的特性。血氧含量可以通過測量血管組織中的紅光和紅外光吸收之差來確定。超聲傳感器根據超聲在氣體中行進的多普勒頻移來測量氣流速率。所有這些系統都可以使同步解調來實現。
圖1顯示的是測量傳感器輸出信號的同步解調系統。激勵信號fx用作載波，傳感器以幅度、相位（或兩者同時）作為待測參數的函數進行調制。信號可能經過放大和濾波，然后再由相敏檢波器（PSD）向下調制，回到直流狀態。輸出濾波器（OF）將信號帶寬限制在待測參數的頻率范圍內。
圖1.同步解調系統
傳感器輸出端的噪聲可能受內部源或外部耦合的影響。低頻（1/f）噪聲經常會限制傳感器或測量電子設備的性能。很多傳感器還容易受到低頻環境噪聲的干擾。光學測量容易受到背景光照的影響；電磁傳感器容易受到電源輻射的影響。自由選擇激勵頻率以避開噪聲源是同步解調的重要優勢。
選擇一個可以降低這些噪聲源影響的激勵頻率是優化系統性能的重要途徑。所選激勵頻率應當具有較低的噪底，并離開噪聲源足夠距離，以便適當進行濾波便可將噪聲降低至可以接受的水平。傳感器激勵通常是功耗預算中最大的一塊。如果傳感器的靈敏度與頻率的關系已知，則在靈敏度較高的頻率處激勵傳感器即可降低功耗。
相敏檢波器
若要理解抗混疊濾波器（AAF）和OF的要求，則需理解PSD。考慮通過激勵信號將輸入信號同步擴大+1和–1倍的PSD。這等效于輸入信號乘以相同頻率的方波。圖2a顯示的是輸入信號、基準電壓源和PSD輸出的時域波形；圖中，輸入信號為方波，任意相位與基準電壓源相關。
當輸入和基準電壓完全無相移時，相對相位為0°，開關輸出為直流，且PSD輸出電壓為+1。隨著相對相位增加，開關輸出成為基準頻率兩倍的方波，且占空比和均值線性下降。相對相位為90°時，占空比為50%，平均值為0.在180°相對相位處，PSD輸出電壓為–1。圖2b顯示了相對相位在0°至360° 范圍內掃描時的PSD平均輸出值，輸入信號為方波和正弦波。
圖2. （a） PSD時域波形（b） PSD輸出平均值與相對相位成函數關系
正弦波情形沒有方波情形那么直觀，但可以通過逐項相乘并分解為相加項和相減項而計算，如下所示：
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