§5-3~4载波放大器和相敏检波

5 3载波放大器和相敏检波 5 3 1载波放大器的工作原理和结构 5 3 2相敏检波器 5 3 3在线性差动变压器中的应用 5 4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路 5 5分解器 数字变换器和数字 分解器变换器 5 5 1自动同步器 分解变换器 5 5 2数字 分解器变换器 5 5 3分解器 数字变换器 1载波放大器的作用用于输出为调幅交流信号 AM 且能响应正负值信号的传感器 完成信号交流放大 解调和低通滤波 如LVDT 交流电桥 磁通闸门 SQUID 电磁流量计等 单片集成电路包括NE5521 Signetics公司 AD598 AD698 AD公司 2载波放大器的组成 5 3载波放大器和相敏检波 5 3 1载波放大器的工作原理和结构 3载波信号形式例1 与差动传感器相结合的交流分压器与差动传感器相结合的分压器的输出 式5 5 为 Vo Ve 1 x 2若激励电压为峰值Ve的正弦电压Ve t Vecos2 fet 5 35 并假定被测对象是具有峰值为X的正弦阻抗相对变化x t Xcos 2 fxt x 5 36 则有 Vo Ve t 1 x t 2 Vecos2 fet 1 Xcos 2 fxt x 2 Ve 2 cos2 fet VeX 4 cos 2 fe fx t x VeX 4 cos 2 fe fx t x 5 37 5 3 1载波放大器的工作原理和结构 例2 与差动传感器相结合的交流电桥与差动传感器相结合的分压器的输出 式5 7 为 Vo Ve x 2 若激励电压为峰值Ve的正弦电压Ve t Vecos2 fet 5 35 并假定被测对象是具有峰值为X的正弦阻抗相对变化x t Xcos 2 fxt x 5 36 则有 Vo Ve t x t 2 Ve cos2 fet Xcos 2 fxt x 2 VeX 4 cos 2 fe fx t x VeX 4 cos 2 fe fx t x 5 38 5 3 1载波放大器的工作原理和结构 Z1 Z0 1 x Z2 Z0 1 x 4交流放大器的要求线性放大器 输入电流或电压窄带放大器 中心频率为fe 通常fe fx 5解调器的要求应能够恢复X fx和 x 简单的整流不能给出信号的符号 在图5 20中 a c 对应简单整流的情况 无论输入信号为正相或反相 输出相同 希望得到 b d 对应的结果 输入信号反相时 输出符号相反 5 3 1载波放大器的工作原理和结构 5解调器的要求相敏 同步或相干 解调分为两个过程 如图5 21所示 将已调信号Vo t 与载波 激励 信号Ve t 同相的参考信号Vr t 相乘 然后再用低通滤波器对得到的信号滤波 若参考信号为Vr t Vrcos2 frt 5 39 输入信号来自交流电桥 则乘法器输出为 Vp t Vr t Vo t Vr t Ve t x t 2 x t 2 VrVe 2 cos2 fe fr t cos2 fe fr t 由于激励信号和参考信号频率相同fe fr 位相相同 得到 Vp t x t 2 VrVe 2 1 cos2 2fet 经过滤波器lpf lowpassfilter 后得到 Vd t lpf Vp t x t 2 VrVe 2 VrVe 4 Xcos 2 fxt x 5 3 1载波放大器的工作原理和结构 5解调器的要求 相敏解调 电感式传感器的典型激励频率为5kHz 10kHz 调整信号最大允许带宽通带0Hz 1500Hz 电容式传感器的典型激励频率为10kHz 500kHz 调整信号最大允许带宽通带0Hz 25kHz 5 3 1载波放大器的工作原理和结构 载波放大器的关键是相敏解调器 然而上节所述的由精密乘法器和滤波器构成的相敏解调器价格十分昂贵 较简单的同步解调器可以用幅度为 Vr和 Vr的对称方波作为参考 其傅立叶级数为 与调制信号相乘后 经过低通滤波 输出电压为 上式与5 42的区别只是比例因子不同 实现上述功能的单片电路有OPA675 6 Burr Brown公司 AD630 AD公司 HA2400 04 05 Harris公司 5 3 2相敏检波器 用分立元件实现的开关增益放大器S1断开 S2导通时的增益为Vd Vo 2VoRon Ron Roff VoS1导通 S2断开时的增益为Vd Vo 2VoRoff Ron Roff Vo 5 3 2相敏检波器 例5 6电容差动传感器 每个电容容量10pF 满量程电容变化1pF 激励电压在20kHz时是5V 峰值 为了在测量范围两端获得Va 3V 峰值 确定第一级电路参数 确定高通滤波器 HPF 开关放大器和低通滤波器 LPF 电路元件参数 放大器输出Va k Vo2 Vo1 kVe C2 Cb C1 Ca 如传感器C1 C0 1 x C2 C0 1 x 取Ca Cb 则Va kVe C0 Ca 2x由于x 1pF 10pF 0 1 激励5V时输出3V 则3V k 5V 10pF Ca 2 0 1选择Ca Cb 10pF 则k 3 因此选择R1 R3 10k R2 R4 30k 由于Ra Rb应远大于Ca Cb的阻抗 有Ra 1 2 3 14 20kHz Ca 800k 所以取Ra Rb 10M 由于Vd是经同步整流得到的平均绝对值 MAV Vd Vap 2 3 14若选择高通滤波器的转折频率为2kHz 载波频率 10 和R5 10k 则C3 8nF 开关增益要求R6 R7 选R6 R7 10k 选择R8时放大器反相和同相输入端输入电阻相同 得R8 6 7k 选C4限制带宽 但不影响载波选C4的阻抗相当于R7的10倍 20kHz 相当于100K 得C4 80pF 5 3 2相敏检波器 参考信号的另一个选择是频率fr fe k k为任意整数 的周期性单位幅度脉冲串 如图5 24所示 同步取样也可以用ADC对信号进行数字化时使用 5 3 2相敏检波器 相移检测首先将信号变成矩形 使之只有 0 1 两个电平状态 但不改变位相 然后利用图5 25所示电路检测过零点之间的延迟 图中的 为延迟时间 5 3 2相敏检波器 LVDT有三个或四个绕组 最简单的方案是直接用整流的方法 5 3 3在线性差动变压器中的应用 采用AD公司的单片集成电路 AD598用于具有三个或四个输出端的LVDT中 利用从Eo1 Eo2作为参考信号 从 Eo1 Eo2 Eo1 Eo2 中恢复有用信息 AD698利用同步解调从Eo1 Eo2中恢复幅度和相位信息 并将结果除以激励幅度来进行比值测量 AD698也能用于其它DSBSC调幅信号测量 5 3 3在线性差动变压器中的应用 电荷再分配法Vo Vp Cx Cr Ci 5 4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路 Vo Vp Cx Cr Ci 5 4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路 电荷转移法 5 4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路 电荷转移法 5 4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路 双T电路如果C1 C2 电流表中的电流为0驻极体话筒 5 4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路 5 5分解器 数字变换器和数字 分解器变换器 自动同步器格式Es13 Kcos tVsin Es32 Kcos tVsin 120 Es21 Kcos tVsin 240 分解器格式Er13 Kcos tVsin Er24 Kcos tVcos 因为Es32 KVcos t 1 2 sin 3 2 cos Es21 KVcos t 1 2 sin 3 2 cos 因此有Er24 Es32 Es21 3 Es32 Es13 2 2 3 5 5分解器 数字变换器和数字 分解器变换器 5 5 1自动同步器 分解变换器 等效阻抗 Rs13 RpN2 Rs1ct RpN2 4 Rs32 R