大氣電場儀中相敏檢波器電路設(shè)計

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

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

　　由于沒有考慮電感對I-V轉(zhuǎn)換電路的影響，在實際的操作中，應(yīng)通過實驗在-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，由于沒有考慮模擬開關(guān)的誤差，在大氣電場儀中還需要通過軟件進行校準(zhǔn)和補償。

　　在電場儀設(shè)計中，根據(jù)式(5)可求得初始角φ′=33.23°，但實際選擇φ′=37°。圖4為被測電場在-600 V/m情況下，分別選取初始角φ′=0°和φ′=37°時，相敏檢波電路的兩組對比實驗波形。波形1為I-V轉(zhuǎn)換后的感應(yīng)電壓信號，頻率為40 Hz，其幅值與被測電場的強度成正比;波形2為從模擬開關(guān)輸出的全波檢波信號即低通濾波器的輸入信號，該電壓信號的極性與被測電場的極性相反。通過觀察兩組實驗波形可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始角φ′=O°時，由于微弱感應(yīng)電壓信號V1(t)與同步脈沖信號Vc(t)不同相，全波檢波后的波形仍為一交流信號，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，而當(dāng)初始角φ′設(shè)置為37°時，全波檢波后為單一正方向脈動直流電壓信號，即保證了微弱感應(yīng)電壓信號V1(t)與同步脈沖信號Vc(t)的同相。因此，經(jīng)低通濾波器后輸出一負極性直流電壓信號，即可判斷出被測電場為負電場，從而實現(xiàn)了被測電場極性的準(zhǔn)確鑒別。

　　3 結(jié) 語

　　設(shè)計了一種由光電開關(guān)、四通道模擬開關(guān)和運放組成的相敏檢波器，結(jié)合微弱感應(yīng)電壓信號和同步脈沖信號的特點，對其工作原理進行了分析。同時通過實驗驗證了正確放置光電開關(guān)的位置即設(shè)置小葉片的初始角φ′，可實現(xiàn)兩路輸入信號同頻同相，從而獲得最大的整流輸出。所設(shè)計的相敏檢波器已經(jīng)在設(shè)計的大氣電場儀中得到了應(yīng)用，在實際監(jiān)測和工作中性能穩(wěn)定，能很好地鑒別出被測電場極性。