小信号幅度测量中的差分同步解调技术

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1、小信号幅度测量中的差分同步解调技术郭延芬1，蒋立平2（1．东南大学无线电工程系，江苏南京210018；2．南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京210094）［摘要］本文介绍一种用于测量小信号幅度的电路，被测信号范围为微伏级到几毫伏。电路设计方法适用于将数模混合型正弦波发生器作为信号源的测量仪器。文中主要讨论两方面问题，对两个正弦波信号之差的正确解调和测量中的共模信号校正。［关键词］同步解调；采样保持电路；幅度测量1引言测量人体某些部位的电传导率，并通过成像，以帮助病情诊断，是当前正在发展的一项技术［1］。常用的测量方法是：对人体注入一个恒频等幅电流，电流通过体内阻抗

2、形成电压，该电压幅度随阻抗的变化而变化，属调幅波。通过测量电极对测量两指定位置间的电位差，就可求得阻抗分布情况。测量中，注入电流的频率一般为20～30kHz，测量电极所感应信号的范围为几十微伏到几十毫伏，能接受的测量精度为0．1％。在一般测量中，容易引起误差的因素有两个方面：一是共模抑制比（CMRR）；二是失调电压。本文介绍的采用采样保持电路的差分同步解调技术，除选用较好的运放来提高CMRR外，还采用了一种特殊的频率转换技术，使差分放大器的工作频率接近零，使放大器的CMRR达到最大。另外，采用计算机辅助系统自我校正，有效提高了测量的精度。2解调技术由于用于产生注入电流的激励

3、源的输出和测量电极的接收端一般采用电容耦合，另外考虑导线间的分布电容影响，通过测量电极接收到的电压和激励源中振荡器的输出不同相。为去除由电容引起的寄生信号，可采用相敏检波器。典型的相敏检波器有相乘型和开关型两种，相乘型检波器的缺点为：乘法器的参数随温度或器件老化漂移较大；而开关型检波器的缺点为存在过零交越的问题。另外，这类解调器输出端均需配有滤波器，滤波器的存在会影响输出信号的建立时间，这往往给实时数据检测系统带来了障碍。图2—1中，输入ui（t）为调幅波，同步信号uc（t）为幅值为1并和载波信号同频的周期方波。可以证明，当ui（t）＝Uimcosωt时，解调器的输出为：式

4、中θ为同步信号和ui(t)中载波信号之间的相位差。同样可证明：乘法器输出端信号的傅氏级数展开式为：由式（2—2）可见，uo（t）中的二次谐波分量的幅值为直流分量的66％，故在乘法器后必须加低通滤波器。3使用采样保持电路的同步解调理论假设作用信号为Acosωt，它对应于激励源振荡器的输出电压，则被测信号为：式中：B为所需测量的幅值，它对应于信号的实部；C是寄生信号的幅值，它是由激励源输出和测量电极等处的电容所引起的；D是实际接收到信号的幅值；为作用信号和寄生信号之间的相位差；θ为激励信号和接收信号之间的相位差。下面说明使用采样保持电路的同步解调技术的基本思路。若对u（t）信号

5、在t＝0时刻进行采样（即对应于作用信号的峰值处），则采用保持电路的输出为uo＝B＋Ccos　＝Dcosθ。Ccos　对测量结果而言是一个误差值。但是，由于Ccos（ωt＋　）项是作用电流经寄生电容所引起的，所以　＝90°，即Ccos　＝0，因此采用保持电路的输出就是所需要求的值B，即：uo＝B＝Dcosθ（3—2）很明显，式（3—2）和式（2—1）是一致的，不同之处在于式（2—1）多了系数2／π，若用平均值来代替峰值，就可引入该系数。图3—1为上述解调方法的图示说明，在图3—1中接收波形（1）分解为两个正交波形；波形（2）为实部；波形（3）为虚部。4测量电路结构在实际电路中

6、，为使激励信号由数字式正弦波发生器产生，数字式正弦波发生器的基本工作原理为：用一个可编程只读存储器（EPROM）存放离散正弦波数据，由加法计数器产生地址扫描信号，E－PROM输出经数模转换器（DAC），产生正弦波。用数字式载波发生器的优点是：可通过对EPROM地址总线的译码，产生解调所需要的两个窄脉冲串。一个对应于正弦波的峰值，以此激励采样保持电路，可获得接收信号的实部；另一个对应于正弦波的负向过零点，以此激励采样保持电路，可获得接收信号的虚部。当然，要使正弦波电压变为激励电流，必须经过电压—电流转换，可选用高质量的集成运算跨导放大器。为设计带采样保持电路的差分式同步解调器

7、，可采用多种结构：1）可以在工作频率上对两个不同位置的测量电极所接收到的信号先进行减运算，然后利用采样保持电路解调这个很弱的差值信号，其电路结构如图4—1a所示。这种结构的缺点是解调电路前端的差分放大器须工作在25～30kHz的频率上，由于差分放大器的CMRR在低频时为最大，这会影响信号相减的质量。2）要提高解调电路的CM－RR，可采用图4—1b所示的结构，即首先解调两个正弦波，然后进行相减，这样完成相减功能的差分放大器就几乎工作在直流上了。这是因为当两个测量电极之间的相互位置和内部电传导率不发生变化时，输出为恒压