大氣電場(chǎng)儀中相敏檢波器電路設計

　　當V1(t)為負半周，VC(t)為低電平時(shí)，A點(diǎn)電壓為負半周，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)電壓為負半周， MC14066BCP中的模擬開(kāi)關(guān)1與開(kāi)關(guān)3導通，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)的負半周。在整個(gè)信號周期T內，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V3(t)的極性，可以得出被測電場(chǎng)為正電場(chǎng)，其工作波形如圖3(a)所示。

　　設在一個(gè)周期T內，動(dòng)片旋轉的角度為φ，也即小葉片旋轉的角度為φ，則：

　　由于沒(méi)有考慮電感對I-V轉換電路的影響，在實(shí)際的操作中，應通過(guò)實(shí)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(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)行校準和補償。

　　在電場(chǎng)儀設計中，根據式(5)可求得初始角φ′=33.23°，但實(shí)際選擇φ′=37°。圖4為被測電場(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比實(shí)驗波形。波形1為I-V轉換后的感應電壓信號，頻率為40 Hz，其幅值與被測電場(chǎng)的強度成正比;波形2為從模擬開(kāi)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(chǎng)的極性相反。通過(guò)觀(guān)察兩組實(shí)驗波形可發(fā)現，當初始角φ′=O°時(shí)，由于微弱感應電壓信號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，得不到平穩的直流電壓信號，而當初始角φ′設置為37°時(shí)，全波檢波后為單一正方向脈動(dòng)直流電壓信號，即保證了微弱感應電壓信號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(chǎng)為負電場(chǎng)，從而實(shí)現了被測電場(chǎng)極性的準確鑒別。

　　3 結 語(yǔ)

　　設計了一種由光電開(kāi)關(guān)、四通道模擬開(kāi)關(guān)和運放組成的相敏檢波器，結合微弱感應電壓信號和同步脈沖信號的特點(diǎn)，對其工作原理進(jìn)行了分析。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗驗證了正確放置光電開(kāi)關(guān)的位置即設置小葉片的初始角φ′，可實(shí)現兩路輸入信號同頻同相，從而獲得最大的整流輸出。所設計的相敏檢波器已經(jīng)在設計的大氣電場(chǎng)儀中得到了應用，在實(shí)際監測和工作中性能穩定，能很好地鑒別出被測電場(chǎng)極性。