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、什么是相敏檢波電路？

相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻能力的檢波電路。

2、為什么要采用相敏檢波？

包絡(luò)檢波有兩個(gè)問(wèn)題：一是解調(diào)的主要過(guò)程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，無(wú)法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)的相位。第二，包絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號(hào)的能力。對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，這就是說(shuō)它不具有鑒別信號(hào)的能力。為了使檢波電路具有判別信號(hào)相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。

3、相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能與電路構(gòu)成上最主要的區(qū)別是什么？

相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能上的主要區(qū)別是相敏檢波電路能夠鑒別調(diào)制信號(hào)相位，從而判別被測(cè)量變化的方向，同時(shí)相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力。從電路結(jié)構(gòu)上看，相敏檢波電路的主要特點(diǎn)是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)外，還要輸入一個(gè)參考信號(hào)。有了參考信號(hào)就可以用它來(lái)鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率。

4、相敏檢波電路與調(diào)幅電路在結(jié)構(gòu)上有哪些相似之處？它們又有哪些區(qū)別？

將調(diào)制信號(hào)ux乘以幅值為1的載波信號(hào)就可以得到雙邊帶調(diào)幅信號(hào)us，將雙邊帶調(diào)幅信號(hào)us再乘以載波信號(hào)，經(jīng)低通濾波后就可以得到調(diào)制信號(hào)ux。這就是相敏檢波電路在結(jié)構(gòu)上與調(diào)制電路相似的原因。

二者主要區(qū)別是調(diào)幅電路實(shí)現(xiàn)低頻調(diào)制信號(hào)與高頻載波信號(hào)相乘，輸出為高頻調(diào)幅信號(hào)；而相敏檢波器實(shí)現(xiàn)高頻調(diào)幅信號(hào)與高頻載波信號(hào)相乘，經(jīng)濾波后輸出低頻解調(diào)信號(hào)。這使它們的輸入、輸出耦合回路與濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不同。

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。

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。

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：

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。

多功能相敏檢波電路

相敏檢波電路（與濾波器配合）可以將調(diào)幅波還原成原信號(hào)波形，起解調(diào)作用；并具有鑒別信號(hào)相位的能力。下面給出典型的二極管相敏檢波電路及其輸入輸出關(guān)系圖。它由四個(gè)特性相同的二極管D1～D4沿同一方向串聯(lián)成一個(gè)橋式回路，橋臂上有附加電阻，用于橋路平衡。四個(gè)端點(diǎn)分別接在變壓器A和B的次級(jí)線圈上，變壓器A的輸入為調(diào)幅波xm（t），B的輸入信號(hào)為載波y（t），uf為輸出。二極管的導(dǎo)通與截止完全由B的次級(jí)的輸出決定，因此要求B的次級(jí)的輸出大于A的次級(jí)輸出。