§53~4载波放大器和相敏检波课件

§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§5-3载波放大器和相敏检波11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1载波放大器的作用§5-3载波放大器和相敏检波

§5-323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)=Vecos2πfet(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(2πfxt+φx)(5.36)则有：Vo=Ve(t)[1＋x(t)]/2=Vecos2πfet[1＋Xcos(2πfxt+φx)]/2=(Ve/2)cos2πfet+(VeX/4)cos[2π(fe+

fx)

t+φx]+(VeX/4)cos[2π(fe-

fx)

t-φx](5.37)

§5-3-1载波放大器的工作原理和结构3载波信号形式§5-3-1载波放大器的工作原理和结构3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)=Vecos2πfet(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(2πfxt+φx)(5.36)则有：Vo=Ve(t)x(t)/2=Ve×cos2πfet×Xcos(2πfxt+φx)／2=(VeX/4)cos[2π(fe+

fx)

t+φx]+(VeX/4)cos[2π(fe-

fx)

t-φx](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)例2：与差动传感器相结合的交流电桥§5-3-1载波放大器的44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φx。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4交流放大器的要求§5-3-1载波放大器的工作原理和结构55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)=Vrcos2πfrt(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][cos2π(fe-fr)

t＋cos2π(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＋cos2π2fet]经过滤波器lpf(lowpassfilter)后得到：Vd(t)=lpf{Vp(t)}=[x(t)/2][VrVe/2]

=[VrVe/4]Xcos(2πfxt+φx)

§5-3-1载波放大器的工作原理和结构5解调器的要求§5-3-1载波放大器的工作原理和结构65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5解调器的要求(相敏解调)§5-3-1载波放大器的工作原理7

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相敏检波器载波放大器的关键是相敏解调器，然而上节所述的8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相敏检波器用分立元件实现的开关增益放大器§5-3-2相9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=10kΩ,R2=R4=30kΩ。由于Ra,Rb应远大于Ca,Cb的阻抗，有Ra>>1/(2*3.14*20kHz*Ca)=800kΩ所以取Ra=Rb=10MΩ。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=10kΩ,则C3=8nF。开关增益要求R6=R7,选R6=R7=10kΩ,选择R8时放大器反相和同相输入端输入电阻相同，得R8=6.7kΩ。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100KΩ，得C4=80pF。§5-3-2相敏检波器例5.6§5-3-2相敏检波器10参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相敏检波器参考信号的另一个选择是频率fr=fe/k(k为任意整数)的周11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τ为延迟时间。§5-3-2相敏检波器相移检测§5-3-2相敏检波器12

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LVDT有三个或四个绕组，最简单的方案是直接用整流的13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采用AD公司的单片集成电路。§5-3-3在线性差动变压器中14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电荷再分配法§5-4供电容式传感器使用的特殊信号调节电15Vo=Vp(Cx-Cr)/Ci

§5-4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路§5-4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路16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§5-4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路17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§5-4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路18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§5-4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路19

§5-5分解器－数字变换器和数字－分解器变换器§5-5分解器－数字变换器和数字－分解器变换器20自动同步器格式Es13=KcosωtVsinαEs32=KcosωtVsin(α+120)Es21=KcosωtVsin(α+240)分解器格式Er13=KcosωtVsinαEr24=KcosωtVcosα

因为Es32=KVcosωt((-1/2)sin(α)+(√3/2)cos(α))Es21=KVcosωt((-1/2)sin(α)-(√3/2)cos(α))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－分解变换器自动同步器格式§5-5分解器－数字变换器和数字－分解器变换21等效阻抗：Rs13=RpN2,Rs1ct=RpN2/4,Rs32=RpN2/4+RpN23/4=RpN2由上式导出：R1=R2=RpN2/2

R=-RpN2/4R3=RpN2+RpN2/4－RpN2/2=RpN23/4Rs12=R1＋R＋R3=RpN2因此Rs13=Rs32=

Rs12§5-5-1自动同步器－分解变换器等效阻抗：Rs13=RpN2,Rs1ct=RpN2/4,R22

§5-5-1自动同步器－分解变换器§5-5-1自动同步器－分解变换器23

§5-5-2数字－分解器变换器§5-5-2数字－分解器变换器24

§5-5-3分解器－数字变换器§5-5-3分解器－数字变换器25§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§5-3载波放大器和相敏检波261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1载波放大器的作用§5-3载波放大器和相敏检波

§5-3273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)=Vecos2πfet(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(2πfxt+φx)(5.36)则有：Vo=Ve(t)[1＋x(t)]/2=Vecos2πfet[1＋Xcos(2πfxt+φx)]/2=(Ve/2)cos2πfet+(VeX/4)cos[2π(fe+

fx)

t+φx]+(VeX/4)cos[2π(fe-

fx)

t-φx](5.37)

§5-3-1载波放大器的工作原理和结构3载波信号形式§5-3-1载波放大器的工作原理和结构28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)=Vecos2πfet(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(2πfxt+φx)(5.36)则有：Vo=Ve(t)x(t)/2=Ve×cos2πfet×Xcos(2πfxt+φx)／2=(VeX/4)cos[2π(fe+

fx)

t+φx]+(VeX/4)cos[2π(fe-

fx)

t-φx](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)例2：与差动传感器相结合的交流电桥§5-3-1载波放大器的294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φx。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4交流放大器的要求§5-3-1载波放大器的工作原理和结构305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)=Vrcos2πfrt(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][cos2π(fe-fr)

t＋cos2π(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＋cos2π2fet]经过滤波器lpf(lowpassfilter)后得到：Vd(t)=lpf{Vp(t)}=[x(t)/2][VrVe/2]

=[VrVe/4]Xcos(2πfxt+φx)

§5-3-1载波放大器的工作原理和结构5解调器的要求§5-3-1载波放大器的工作原理和结构315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5解调器的要求(相敏解调)§5-3-1载波放大器的工作原理32

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相敏检波器载波放大器的关键是相敏解调器，然而上节所述的33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相敏检波器用分立元件实现的开关增益放大器§5-3-2相34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=10kΩ,R2=R4=30kΩ。由于Ra,Rb应远大于Ca,Cb的阻抗，有Ra>>1/(2*3.14*20kHz*Ca)=800kΩ所以取Ra=Rb=10MΩ。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=10kΩ,则C3=8nF。开关增益要求R6=R7,选R6=R7=10kΩ,选择R8时放大器反相和同相输入端输入电阻相同，得R8=6.7kΩ。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100KΩ，得C4=80pF。§5-3-2相敏检波器例5.6§5-3-2相敏检波器35参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相敏检波器参考信号的另一个选择是频率fr=fe/k(k为任意整数)的周36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τ为延迟时间。§5-3-2相敏检波器相移检测§5-3-2相敏检波器37

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LVDT有三个或四个绕组，最简单的方案是直接用整流的38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采用AD公司的单片集成电路。§5-3-3在线性差动变压器中39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电荷再分配法§5-4供电容式传感器使用的特殊信号调节电40Vo=Vp(Cx-Cr)/Ci

§5-4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路§5-4供电容式传感器使用的特殊信号调节电路41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§5-4供电容式传感器使用的特殊信号