大氣電場(chǎng)儀中相敏檢波器電路設(shè)計(jì)

　　常用的相敏檢波器有兩種：一種由變壓器和二極管橋組成，這種電路體積大，穩(wěn)定性差;另一種則由模擬乘法器構(gòu)成，性能上得到了很大提高，但價(jià)格高，調(diào)試麻煩。為此，在研制大氣電場(chǎng)儀的過(guò)程中，根據(jù)大氣電場(chǎng)儀探頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和大氣電場(chǎng)測(cè)試中對(duì)檢波器的要求，利用光電開(kāi)關(guān)、四通道模擬開(kāi)關(guān)和運(yùn)放組合設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的相敏檢波器。同時(shí)，為了對(duì)電場(chǎng)信號(hào)的極性進(jìn)行有效可靠的鑒別，根據(jù)相敏檢波理論，將通過(guò)調(diào)整光電開(kāi)關(guān)的設(shè)置位置，保證感應(yīng)電壓信號(hào)與同步脈沖信號(hào)同相，以獲得最大整流輸出，從而準(zhǔn)確辨別被測(cè)電場(chǎng)極性。

　　1 相敏檢波電路設(shè)計(jì)

　　大氣電場(chǎng)儀傳感器探頭如圖1所示，動(dòng)片與小葉片形狀相似，且上下位置對(duì)應(yīng)一致，均固定在電機(jī)軸上，由無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)按一定的頻率同時(shí)旋轉(zhuǎn)。感應(yīng)片為分離的四片，相對(duì)的兩片為一組，分為A，B兩組，每組的形狀與動(dòng)片完全相同，動(dòng)片和感應(yīng)片均選用黃銅材料制成。

　　1.1 感應(yīng)的微弱電壓信號(hào)與同步脈沖信號(hào)

　　當(dāng)探頭中的電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)片和小葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)片上產(chǎn)生了交流感應(yīng)電流信號(hào)，該交流電流信號(hào)經(jīng)I-V轉(zhuǎn)換電路后，得到交流感應(yīng)電壓信號(hào)V1(t)，在一個(gè)周期T內(nèi)其表達(dá)式為：

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　　式中：I為電場(chǎng)儀探頭輸出的感應(yīng)電流信號(hào)的幅度;R，C分別為I-V轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻和反饋電容;T為動(dòng)片暴露和遮擋感應(yīng)片A或B一次的時(shí)間;VRC為t=T/2時(shí)感應(yīng)電壓信號(hào)的等效幅度;K為一常數(shù)，

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　　在動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，小葉片按同樣的頻率ω周期，通過(guò)光電開(kāi)關(guān)的凹槽，發(fā)光二極管的光路被周期切斷或通過(guò)，使光電三極管處于導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)，因此，在第一個(gè)周期T內(nèi)，同步脈沖信號(hào)為Vc(t)，其表達(dá)式為：

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　　經(jīng)對(duì)電路實(shí)驗(yàn)證明，此檢波電路能很好地濾除諧波成分，同時(shí)，通過(guò)觀察濾波之后直流電壓的正負(fù)，可以辨別出被測(cè)電場(chǎng)極性。實(shí)際電路中運(yùn)放A1，A2均選用的是雙電源運(yùn)放OP07DP。

　　1.3 相敏檢波電路工作原理

　　假如電場(chǎng)儀探頭處于正電場(chǎng)中，探頭的感應(yīng)電壓信號(hào)V1(t)和同步信號(hào)VC(t)分別經(jīng)圖3的檢波器輸入。

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　　當(dāng)V1(t)為負(fù)半周，VC(t)為低電平時(shí)，A點(diǎn)電壓為負(fù)半周，B點(diǎn)電壓為正半周，MC14066BCP中的模擬開(kāi)關(guān)1與開(kāi)關(guān)3斷開(kāi)，模擬開(kāi)關(guān)4導(dǎo)通，則O4引腳輸出為V2(t)的負(fù)半周，O3引腳輸出為高阻狀態(tài);當(dāng)V1(t)為正半周，Vc(t)為高電平時(shí)，A點(diǎn)電壓為正半周，B點(diǎn)電壓為負(fù)半周， MC14066BCP中的模擬開(kāi)關(guān)1與開(kāi)關(guān)3導(dǎo)通，模擬開(kāi)關(guān)4斷開(kāi)，則O4引腳輸出為高阻狀態(tài)，O3引腳輸出為V2(t)的負(fù)半周。在整個(gè)信號(hào)周期T內(nèi)，檢波輸出信號(hào)V2(t)始終為負(fù)半周，該輸出信號(hào)經(jīng)反相濾波器濾波后，得到一正直流電壓信號(hào)V3(t)，因此根據(jù)V3(t)的極性，可以得出被測(cè)電場(chǎng)為正電場(chǎng)，其工作波形如圖3(a)所示。

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　　設(shè)在一個(gè)周期T內(nèi)，動(dòng)片旋轉(zhuǎn)的角度為φ，也即小葉片旋轉(zhuǎn)的角度為φ，則：

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　　由于沒(méi)有考慮電感對(duì)I-V轉(zhuǎn)換電路的影響，在實(shí)際的操作中，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)在-φ/(2π)ωRC{ln[1+exp(-π/(ωRC))]/2)～φ/4之間尋找出初始角φ′的最佳值。同時(shí)，由于沒(méi)有考慮模擬開(kāi)關(guān)的誤差，在大氣電場(chǎng)儀中還需要通過(guò)軟件進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。

　　在電場(chǎng)儀設(shè)計(jì)中，根據(jù)式(5)可求得初始角φ′=33.23°，但實(shí)際選擇φ′=37°。圖4為被測(cè)電場(chǎng)在-600 V/m情況下，分別選取初始角φ′=0°和φ′=37°時(shí)，相敏檢波電路的兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)波形。波形1為I-V轉(zhuǎn)換后的感應(yīng)電壓信號(hào)，頻率為40 Hz，其幅值與被測(cè)電場(chǎng)的強(qiáng)度成正比;波形2為從模擬開(kāi)關(guān)輸出的全波檢波信號(hào)即低通濾波器的輸入信號(hào)，該電壓信號(hào)的極性與被測(cè)電場(chǎng)的極性相反。通過(guò)觀察兩組實(shí)驗(yàn)波形可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始角φ′=O°時(shí)，由于微弱感應(yīng)電壓信號(hào)V1(t)與同步脈沖信號(hào)Vc(t)不同相，全波檢波后的波形仍為一交流信號(hào)，不具有單一方向，經(jīng)低通濾波器后將被濾除掉，得不到平穩(wěn)的直流電壓信號(hào)，而當(dāng)初始角φ′設(shè)置為37°時(shí)，全波檢波后為單一正方向脈動(dòng)直流電壓信號(hào)，即保證了微弱感應(yīng)電壓信號(hào)V1(t)與同步脈沖信號(hào)Vc(t)的同相。因此，經(jīng)低通濾波器后輸出一負(fù)極性直流電壓信號(hào)，即可判斷出被測(cè)電場(chǎng)為負(fù)電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了被測(cè)電場(chǎng)極性的準(zhǔn)確鑒別。

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)了一種由光電開(kāi)關(guān)、四通道模擬開(kāi)關(guān)和運(yùn)放組成的相敏檢波器，結(jié)合微弱感應(yīng)電壓信號(hào)和同步脈沖信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了正確放置光電開(kāi)關(guān)的位置即設(shè)置小葉片的初始角φ′，可實(shí)現(xiàn)兩路輸入信號(hào)同頻同相，從而獲得最大的整流輸出。所設(shè)計(jì)的相敏檢波器已經(jīng)在設(shè)計(jì)的大氣電場(chǎng)儀中得到了應(yīng)用，在實(shí)際監(jiān)測(cè)和工作中性能穩(wěn)定，能很好地鑒別出被測(cè)電場(chǎng)極性。