该电路的设计目标是实现同步检测，以放大小直流电压，同时保持高线性度和出色的抗噪性。它广泛应用于需要精准测量的领域，如分流器、称重传感器、热电偶等。在这些应用中，由于信号本身较弱且可能受到环境噪声的干扰，因此需要具有高灵敏度、低噪声和高精度的电路设计。

电路概述

该电路的框图由三个主要部分构成：仪表放大器、可调非反相放大器以及低通滤波器。其中，仪表放大器将输入的直流信号转化为双极性方波信号，使得同步检测技术得以应用。这一设计确保了电路能够有效放大输入信号，同时抑制不必要的噪声成分，从而提高信号的质量。

放大器部分

图示的前四个单元电路构成了该系统的放大器部分。在该部分中，使用了高品质的运算放大器，以保证电路的高性能。运算放大器具有超低的失调电压、极低的噪声和高达20 V/μs的压摆率，确保了信号的精准放大。所有的电阻器在制造过程中都具有1%的容差，但特别重要的是，R1至R6这六个电阻器成对匹配至0.05%，这种高精度的匹配有效降低了电路中的误差，从而提高了整体性能。

低通滤波器设计

低通滤波器是该电路的关键部分，负责过滤掉高频噪声，确保只有低频信号被放大。该滤波器采用了4极Sallen-Key结构，具有较高的抑制比和较低的截止频率（1 Hz）。其行截止率为-80 dB/dec，意味着每增加一个频率十倍，信号强度将减少80 dB。该低通滤波器的直流增益为2.576，这确保了信号在经过滤波处理后不会受到过度衰减。

方波振荡器

为了实现同步检测，该电路使用了一个基于74HC4060芯片的方波振荡器。方波振荡器的频率设置为577 Hz，这一频率接近50 Hz和60 Hz之间的大致等距的素数。这种设计有助于有效地同步输入信号与检测信号，从而提高了检测的准确性和灵敏度。

PCB设计与布局

该电路的印刷电路板（PCB）为两层板，尺寸为78毫米×62毫米（3.07英寸×2.44英寸）。为了避免地面噪声对信号产生干扰，所有模拟地都通过单点连接到电源地，并通过独立的走线设计来减少共模噪声的影响。此外，所有的信号和电源地都保持清晰的分离，以确保系统的稳定性和准确性。

性能评估与实验数据

为了评估电路的性能，使用了自制电压校准器以及6.5位万用表进行测试。在测试过程中，通过插入一个100:1的分压器，提高了输入电压的分辨率，使得测试结果更加精确。根据实验数据，电路的输出与理论拟合线之间的偏差保持在+1 mV和-1 mV之间，且这一误差相对于10 V满量程电压的范围是非常小的，表明电路的精度很高。

传递函数的线性关系为：

$$V_{\text{BF}} = 1001.1 \times V_{\text{IN}} - 0.013$$VBF=1001.1×VIN−0.013

这一传递函数表明，输入电压和输出电压之间的关系非常接近理想线性关系，只有极小的偏移（约13 mV），可以通过硬件校正或通过微控制器的固件进行补偿。

性能优化建议

为了进一步提高电路的性能或降低成本，可以考虑以下几点优化措施：

1. 最小化电缆长度： 在连接信号源和电路板时，尽量减少电线的长度，以减少信号传输过程中产生的噪声干扰。

2. 选择低偏移电压的运算放大器： 如果对偏移电压的要求不是非常苛刻，可以考虑使用具有较低成本和较小偏移电压规格的运算放大器，以降低整体电路的成本。

3. 简化滤波器设计： 如果电路的应用场景允许，考虑使用2极滤波器替代4极滤波器。这不仅可以简化电路设计，还可以有效降低成本，并提高电路的可靠性。封装中的第二个运算放大器可以用来进一步减少传递函数中的偏移。

总结

该电路设计通过同步检测技术，成功地放大了小直流电压，同时具备了高线性度、低噪声和精确的性能，适用于分流器、称重传感器、热电偶等的精密测量。通过精确的运算放大器选型、低通滤波器设计以及方波振荡器的使用，该系统能够有效抑制噪声并提高测量精度。在实际应用中，通过适当的硬件调整或固件补偿，可以进一步优化电路性能，满足不同精度要求的应用场景。