传感器
鼓励
传感器随处可见，它们用来丈量温度、光照、声响和其他各种环境参数。一些传感器的输出电压或电流取决于某些物理参数。例如，热电偶发生与参阅结点和丈量点之间温度差成份额的电压。大部分传感器的传递函数相对于物理参数遵从已知的联系。传递函数通常是一个阻抗，电流是传感器输入，而传感器两头的电压表明方针参数。阻性传感器(比方称重传感器、RTD和电位计)别离用来丈量应力、温度和视点。就一阶而言，阻性传感器与频率无关，而且没有相位呼应。
许多传感器因为它们的传递函数随频率和相位改动，所以要求运用沟通鼓励信号。这样的比如有理性近间隔传感器和容性湿度传感器。生物阻抗丈量能够获取有关呼吸率、脉息率、水合效果和其他各种生理参数。这些情况下，起伏、相位(或两者)都可用来确认检测参数的数值。
在某些运用中，传感器能够把待测样本转换成感应器。例如，色度计运用LED将光线照耀穿过待测液体样本。样本的光吸收调制光电二极管检测的光量，以便提醒待测液体的特性。血氧含量能够经过丈量血管安排中的红光和红外光吸收之差来确认。超声传感器依据超声在气体中跋涉的多普勒频移来丈量气流速率。全部这些体系都能够使同步解调来完成。
图1显现的是丈量传感器输出信号的同步解调体系。鼓励信号fx用作载波，传感器以起伏、相位(或两者一起)作为待测参数的函数进行调制。信号或许经过扩大和滤波，然后再由相敏检波器(PSD)向下调制，回到直流状况。输出滤波器(OF)将信号带宽约束在待测参数的频率规模内。
图1.同步解调体系
传感器输出端的噪声或许受内部源或外部耦合的影响。低频(1/f)噪声经常会约束传感器或丈量电子设备的功用。许多传感器还简单遭到低频环境噪声的搅扰。光学丈量简单遭到布景光照的影响;电磁传感器简单遭到电源辐射的影响。自由挑选鼓励频率以避开噪声源是同步解调的重要优势。
挑选一个能够下降这些噪声源影响的鼓励频率是优化体系功用的重要途径。所选鼓励频率应当具有较低的噪底，并脱离噪声源满足间隔，以便恰当进行滤波便可将噪声下降至能够承受的水平。传感器鼓励通常是功耗预算中最大的一块。假如传感器的灵敏度与频率的联系已知，则在灵敏度较高的频率处鼓励传感器即可降低功耗。
相敏检波器
若要了解抗混叠滤波器(AAF)和OF的要求，则需了解PSD。考虑经过鼓励信号将输入信号同步扩展+1和–1倍的PSD。这等效于输入信号乘以相同频率的方波。图2a显现的是输入信号、基准电压源和PSD输出的时域波形;图中，输入信号为方波，恣意相位与基准电压源相关。
当输入和基准电压彻底无相移时，相对相位为0°，开关输出为直流，且PSD输出电压为+1。跟着相对相位添加，开关输出成为基准频率两倍的方波，且占空比和均值线性下降。相对相位为90°时，占空比为50%，均匀值为0.在180°相对相位处，PSD输出电压为–1。图2b显现了相对相位在0°至360°规模内扫描时的PSD均匀输出值，输入信号为方波和正弦波。
图2. (a) PSD时域波形(b) PSD输出均匀值与相对相位成函数联系
正弦波景象没有方波景象那么直观，但能够经过逐项相乘并分解为相加项和相减项而核算，如下所示：
正如估计的那样，PSD在基频处生成与输入信号相对相位的余弦成份额的呼应，但它一起也会生成针对信号全部奇次谐波的呼应。若将输出滤波器视为相敏检波器的一部分，则信号传输途径看上去就会像是一系列以基准信号奇次谐波为中心的带通滤波器。带通滤波器的带宽由低通输出滤波器的带宽确认。PSD输出呼应是这些带通滤波器之和，如图3所示。出现在直流端的呼应部分落在输出滤波器的通带内。出现在基准频率偶次谐波的呼应部分将由输出滤波器按捺。
图3.有助于PSD输出的信号输入频谱
乍看之下，谐波的无限求和混叠进入输出滤波器通带，好像使这种办法失效。但是，因为每一个谐波项都成倍缩小，而且各谐波噪声以平方和的平方根办法相加，噪声混叠的影响得以减轻。假定输入信号的噪声频谱密度不变，那么就能够核算谐波混叠的噪声影响。
使Vn成为以基频为中心的传输窗口的积分噪声。总RMS噪声VT为：
因而，全部谐波窗口发生的RMS噪声使总噪声仅添加11%(或1dB)。输出仍然简单遭到带通滤波器的通带动摇影响，而且PSD之前的传感器或电子器材谐波失真将导致输出信号发生差错。假如这些谐波失真项过大而无法承受，能够运用抗混叠滤波器使其下降。下一个规划示例中将考虑抗混叠和输出滤波器要求。
LVDT规划示例
图4显现的是一个同步解调电路，该电路可从线性可变位移变压器(LVDT，一种特别的绕线变压器，具有活动内核，贴在待测方位)提取方位信息。鼓励信号施加于初级端。次级端电压随内核方位成份额改动。
LVDT的类型有许多，此外提取方位信息的办法也各不相同。该电路选用4线形式LVDT.将两个LVDT的次级输出相连使其电压相反，然后履行减法。当LVDT内核坐落零点方位时，次级端上的电压持平，绕组上的电压差为零。跟着内核从零点方位开端移动，次级绕组上的电压差也随之添加。LVDT输出电压符号依据方向而改动。本例挑选的LVDT丈量±2.5 mm满量程内核位移。电压传递函数为0.25，意味着当内核违背中心2.5 mm时，施加于初级端的每伏特电压的差分输出等于250 mV.
图4.简化LVDT方位检测电路
集成式同步解调器
ADA2200集成式同步解调器选用共同的电荷同享技能来履行模仿域内的分立式时刻信号处理。该器材的信号途径由输入缓冲器、FIR抽取滤波器(进行抗混叠滤波)、可编程IIR滤波器、相敏检波器以及差分输出缓冲器组成。其时钟生成功用可将鼓励信号与体系时钟同步。经过SPI兼容接口可装备可编程特性。
图5. ADA2200同步解调器
24位Σ-Δ型ADC AD7192生成的4.92 MHz时钟用作主机时钟。ADA2200生成滤波器和PSD时钟所需的全部内部信号，此外还在RCLK引脚上生成鼓励信号。该器材将主机时钟进行1024分频，以便生成4.8 kHz信号，操控CMOS开关。CMOS开关将低噪声3.3 V源转换为LVDT的方波鼓励信号。用于鼓励源的3.3 V电源还用作ADC基准电压源，因而电压源中的全部漂移都不会下降丈量精度。在满量程位移处，LVDT输出1.6 V峰峰值输出电压。
抗混叠滤波
LVDT输出和ADA2200输入之间的RC网络为LVDT输出信号供给低通滤波，一起发生使解调器输出信号最大所需的相对相移。如前所述，图2b显现了最大PSD输出发生在相对相移为0°或180°处。ADA2200具有90°相位操控，因而还能够运用±90°相对相位失调。
解调频率奇数倍的信号能量将出现在输出滤波器的通带内。FIR抽取滤波器完成抗混叠滤波，能为这些频率供给至少50 dB衰减。
如有需求，IIR滤波器可供给额定的滤波或增益。因为IIR滤波器在相敏检波器前面，其相位呼应将会影响PSD信号输出带宽。规划滤波器呼应时，有必要考虑这一点。
输出滤波器
应挑选输出滤波器的通带，使其匹配待测参数的带宽，但约束体系的宽带噪声。输出低通滤波器有必要还要能够按捺PSD偶数倍发生的输出杂散。
该电路运用Σ-Δ型ADC AD7192内置的LPF.它能够经过编程完成sinc3或sinc4呼应，而且传递函数在输出数据速率的倍数处为零。
将ADC的输出数据速率设为解调频率能够按捺PSD输出杂散。ADC的可编程输出数据速率用作可选带宽输出滤波器。可用的输出数据速率(fDATA)为4.8 kHz/n，其间1≤n≤1023.因而，ADC对每个输出数据数值的n个解调时钟周期内求解调器输出的均匀值。因为主机时钟和ADC时钟同步，ADC输出滤波器传递函数的零点将直接落在调制频率的每一个谐波上，而且按捺恣意n值的全部输出杂散。
图6显现了归一化为ADC输出数据速率的sinc3传输函数。
可编程输出数据速率具有噪声和带宽/树立时刻之间的直观权衡取舍联系。输出滤波器噪声带宽为0.3×fDATA、3 dB频率为0.272×fDATA，树立时刻为3/fDATA.
在最高4.8 kHz输出数据速率下，ADC数字滤波器具有1.3 kHz左右的3 dB带宽。在不超越此频率的规模内，解调器和ADC之间的RC滤波器相对平整，最大程度下降了ADC的带宽要求。在最大数据速率较低的体系中，RC滤波器转机频率能够按份额下降。
噪声功用
该电路的输出噪声是ADC输出数据速率的函数。表1显现数字化数据相对于ADC采样速率的有效位数，假定满量程输出电压为2.5 V.噪声功用与LVDT内核方位无关。
表1.噪声功用与带宽的联系
假如ADA2200输出噪声与频率无关，则估计有效位数将在输出数据速率每4×下降时添加一位。ENOB在较低输出数据速率下不会上升太多，这是因为ADA2200输出驱动器的1/f噪声所导致的;该噪声在较低的输出数据速率下成为噪底的主要成分。
线性度
首先在±2.0 mm内核位移处履行一次两点校准即可丈量线性度成果。由这些丈量成果可确认斜率和失调，然后完成最佳直线拟合。然后，在±2.5 mm满量程规模内丈量内核位移。从直线数据中减去丈量数据即可确认线性度差错。
图7.方位线性度差错与LVDT内核位移的联系
用于电路评价的E系列LVDT线性度额定值为±0.5%(±2.5 mm位移规模)电路功用超越了LVDT的标准。
功耗
电路总功耗为10.2 mW，包含驱动LVDT的6.6 mW以及电路其余部分的3.6 mW.电路SNR能够经过添加LVDT鼓励信号而得到改进，但价值是功耗更高。或许，能够经过下降LVDT鼓励信号然后降低功耗，一起运用低功耗双通道运算扩大器来扩大LVDT输出信号，以便保存电路的SNR功用。
定论
同步解调能够处理许多传感器信号调度所共有的特性应战。低于1 MHz鼓励频率且动态规模要求为80 dB至100 dB的体系能够选用低成本、低功耗模仿电路;该办法所需的数字后处理很少。了解相敏检波器的作业原理以及传感器输出端的噪声特性是确认体系滤波器要求的要害。
