大气电场仪中相敏检波器的分析与设计

2011-09-22 10:43:08来源: 互联网

 引 言
    大气电场为一矢量,晴天时大气中存在着方向垂直向下的负电场,雷雨天时由于雷暴云的影响,大气中为方向垂直向上的正电场。大气电场仪在进行地面大气电场监测时,不仅要测量出被测电场的强度,还要辨别出被测电场的极性。电场的极性通常采用相敏检波的方法来区别,因此需要在电场仪的前置放大电路中加入相敏检波器。常用的相敏检波器有两种:一种由变压器和二极管桥组成,这种电路体积大,稳定性差;另一种则由模拟乘法器构成,性能上得到了很大提高,但价格高,调试麻烦。为此,在研制大气电场仪的过程中,根据大气电场仪探头的结构特点和大气电场测试中对检波器的要求,利用光电开关、四通道模拟开关和运放组合设计一种结构简单,性能稳定的相敏检波器。同时,为了对电场信号的极性进行有效可靠的鉴别,根据相敏检波理论,将通过调整光电开关的设置位置,保证感应电压信号与同步脉冲信号同相,以获得最大整流输出,从而准确辨别被测电场极性。

1 相敏检波电路设计
    大气电场仪传感器探头如图1所示,动片与小叶片形状相似,且上下位置对应一致,均固定在电机轴上,由无刷电机带动按一定的频率同时旋转。感应片为分离的四片,相对的两片为一组,分为A,B两组,每组的形状与动片完全相同,动片和感应片均选用黄铜材料制成。

1.1 感应的微弱电压信号与同步脉冲信号
    当探头中的电机带动动片和小叶片转动时,感应片上产生了交流感应电流信号,该交流电流信号经I-V转换电路后,得到交流感应电压信号V1(t),在一个周期T内其表达式为:


    式中:I为电场仪探头输出的感应电流信号的幅度;R,C分别为I-V转换电路的反馈电阻和反馈电容;T为动片暴露和遮挡感应片A或B一次的时间;VRC为t=T/2时感应电压信号的等效幅度;K为一常数,
    在动片转动的同时,小叶片按同样的频率ω周期,通过光电开关的凹槽,发光二极管的光路被周期切断或通过,使光电三极管处于导通和截止两种状态,因此,在第一个周期T内,同步脉冲信号为Vc(t),其表达式为:

  
    经对电路实验证明,此检波电路能很好地滤除谐波成分,同时,通过观察滤波之后直流电压的正负,可以辨别出被测电场极性。实际电路中运放A1,A2均选用的是双电源运放OP07DP。

1.3 相敏检波电路工作原理
    假如电场仪探头处于正电场中,探头的感应电压信号V1(t)和同步信号VC(t)分别经图3的检波器输入。

    当V1(t)为负半周,VC(t)为低电平时,A点电压为负半周,B点电压为正半周,MC14066BCP中的模拟开关1与开关3断开,模拟开关4导通,则O4引脚输出为V2(t)的负半周,O3引脚输出为高阻状态;当V1(t)为正半周,Vc(t)为高电平时,A点电压为正半周,B点电压为负半周, MC14066BCP中的模拟开关1与开关3导通,模拟开关4断开,则O4引脚输出为高阻状态,O3引脚输出为V2(t)的负半周。在整个信号周期T内,检波输出信号V2(t)始终为负半周,该输出信号经反相滤波器滤波后,得到一正直流电压信号V3(t),因此根据V3(t)的极性,可以得出被测电场为正电场,其工作波形如图3(a)所示。

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关键字:分析  设计

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/0922/article_3529.html
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