經(jīng)典案例分享：告訴你低成本、低功耗的同步解調(diào)器設(shè)計(jì)沒(méi)那么難

　　傳感器激勵(lì)

　　傳感器隨處可見(jiàn)，它們用來(lái)測(cè)量溫度、光照、聲音和其他各種環(huán)境參數(shù)。一些傳感器的輸出電壓或電流取決于某些物理參數(shù)。例如，熱電偶產(chǎn)生與參考結(jié)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)之間溫度差成比例的電壓。大部分傳感器的傳遞函數(shù)相對(duì)于物理參數(shù)遵循已知的關(guān)系。傳遞函數(shù)通常是一個(gè)阻抗，電流是傳感器輸入，而傳感器兩端的電壓表示目標(biāo)參數(shù)。阻性傳感器(比如稱重傳感器、RTD和電位計(jì))分別用來(lái)測(cè)量應(yīng)力、溫度和角度。就一階而言，阻性傳感器與頻率無(wú)關(guān)，并且沒(méi)有相位響應(yīng)。

　　很多傳感器因?yàn)樗鼈兊膫鬟f函數(shù)隨頻率和相位改變，所以要求使用交流激勵(lì)信號(hào)。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(cè)量可以獲取有關(guān)呼吸率、脈搏率、水合作用和其他各種生理參數(shù)。這些情況下，幅度、相位(或兩者)都可用來(lái)確定檢測(cè)參數(shù)的數(shù)值。

　　在某些應(yīng)用中，傳感器可以把待測(cè)樣本轉(zhuǎn)換成感應(yīng)器。例如，色度計(jì)使用LED將光線照射穿過(guò)待測(cè)液體樣本。樣本的光吸收調(diào)制光電二極管檢測(cè)的光量，以便揭示待測(cè)液體的特性。血氧含量可以通過(guò)測(cè)量血管組織中的紅光和紅外光吸收之差來(lái)確定。超聲傳感器根據(jù)超聲在氣體中行進(jìn)的多普勒頻移來(lái)測(cè)量氣流速率。所有這些系統(tǒng)都可以使同步解調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　圖1顯示的是測(cè)量傳感器輸出信號(hào)的同步解調(diào)系統(tǒng)。激勵(lì)信號(hào)fx用作載波，傳感器以幅度、相位(或兩者同時(shí))作為待測(cè)參數(shù)的函數(shù)進(jìn)行調(diào)制。信號(hào)可能經(jīng)過(guò)放大和濾波，然后再由相敏檢波器(PSD)向下調(diào)制，回到直流狀態(tài)。輸出濾波器(OF)將信號(hào)帶寬限制在待測(cè)參數(shù)的頻率范圍內(nèi)。

　　圖1.同步解調(diào)系統(tǒng)

　　傳感器輸出端的噪聲可能受內(nèi)部源或外部耦合的影響。低頻(1/f)噪聲經(jīng)常會(huì)限制傳感器或測(cè)量電子設(shè)備的性能。很多傳感器還容易受到低頻環(huán)境噪聲的干擾。光學(xué)測(cè)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(lì)頻率以避開(kāi)噪聲源是同步解調(diào)的重要優(yōu)勢(shì)。

　　選擇一個(gè)可以降低這些噪聲源影響的激勵(lì)頻率是優(yōu)化系統(tǒng)性能的重要途徑。所選激勵(lì)頻率應(yīng)當(dāng)具有較低的噪底，并離開(kāi)噪聲源足夠距離，以便適當(dāng)進(jìn)行濾波便可將噪聲降低至可以接受的水平。傳感器激勵(lì)通常是功耗預(yù)算中最大的一塊。如果傳感器的靈敏度與頻率的關(guān)系已知，則在靈敏度較高的頻率處激勵(lì)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?？紤]通過(guò)激勵(lì)信號(hào)將輸入信號(hào)同步擴(kuò)大+1和–1倍的PSD。這等效于輸入信號(hào)乘以相同頻率的方波。圖2a顯示的是輸入信號(hào)、基準(zhǔn)電壓源和PSD輸出的時(shí)域波形;圖中，輸入信號(hào)為方波，任意相位與基準(zhǔn)電壓源相關(guān)。

　　當(dāng)輸入和基準(zhǔn)電壓完全無(wú)相移時(shí)，相對(duì)相位為0°，開(kāi)關(guān)輸出為直流，且PSD輸出電壓為+1。隨著相對(duì)相位增加，開(kāi)關(guān)輸出成為基準(zhǔn)頻率兩倍的方波，且占空比和均值線性下降。相對(duì)相位為90°時(shí)，占空比為50%，平均值為0.在180°相對(duì)相位處，PSD輸出電壓為–1。圖2b顯示了相對(duì)相位在0°至360°范圍內(nèi)掃描時(shí)的PSD平均輸出值，輸入信號(hào)為方波和正弦波。

　　圖2. (a) PSD時(shí)域波形(b) PSD輸出平均值與相對(duì)相位成函數(shù)關(guān)系

　　正弦波情形沒(méi)有方波情形那么直觀，但可以通過(guò)逐項(xiàng)相乘并分解為相加項(xiàng)和相減項(xiàng)而計(jì)算，如下所示：

　　正如預(yù)計(jì)的那樣，PSD在基頻處生成與輸入信號(hào)相對(duì)相位的余弦成比例的響應(yīng)，但它同時(shí)也會(huì)生成針對(duì)信號(hào)所有奇次諧波的響應(yīng)。若將輸出濾波器視為相敏檢波器的一部分，則信號(hào)傳輸路徑看上去就會(huì)像是一系列以基準(zhǔn)信號(hào)奇次諧波為中心的帶通濾波器。帶通濾波器的帶寬由低通輸出濾波器的帶寬確定。PSD輸出響應(yīng)是這些帶通濾波器之和，如圖3所示。出現(xiàn)在直流端的響應(yīng)部分落在輸出濾波器的通帶內(nèi)。出現(xiàn)在基準(zhǔn)頻率偶次諧波的響應(yīng)部分將由輸出濾波器抑制。

　　圖3.有助于PSD輸出的信號(hào)輸入頻譜

　　乍看之下，諧波的無(wú)限求和混疊進(jìn)入輸出濾波器通帶，似乎使這種方法失效。然而，由于每一個(gè)諧波項(xiàng)都成倍縮小，并且各諧波噪聲以平方和的平方根方式相加，噪聲混疊的影響得以減輕。假設(shè)輸入信號(hào)的噪聲頻譜密度不變，那么就可以計(jì)算諧波混疊的噪聲影響。

　　使Vn成為以基頻為中心的傳輸窗口的積分噪聲。總RMS噪聲VT為：

　　因此，所有諧波窗口產(chǎn)生的RMS噪聲使總噪聲僅增加11%(或1dB)。輸出依然容易受到帶通濾波器的通帶波動(dòng)影響，并且PSD之前的傳感器或電子器件諧波失真將導(dǎo)致輸出信號(hào)產(chǎn)生誤差。如果這些諧波失真項(xiàng)過(guò)大而無(wú)法接受，可以使用抗混疊濾波器使其下降。下一個(gè)設(shè)計(jì)示例中將考慮抗混疊和輸出濾波器要求。