大氣電場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，A點電壓為負半周，B點電壓為正半周，MC14066BCP中的模擬開關1與開關3斷開，模擬開關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;當V1(t)為正半周，Vc(t)為高電平時，A點電壓為正半周，B點電壓為負半周， MC14066BCP中的模擬開關1與開關3導通，模擬開關4斷開，則O4引腳輸出為高阻狀態，O3引腳輸出為V2(t)的負半周。在整個信號周期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，可以得出被測電場為正電場，其工作波形如圖3(a)所示。

　　設在一個周期T內，動片旋轉的角度為φ，也即小葉片旋轉的角度為φ，則：

　　由于沒有考慮電感對I-V轉換電路的影響，在實際的操作中，應通過實驗在-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，由于沒有考慮模擬開關的誤差，在大氣電場儀中還需要通過軟件進行校準和補償。

　　在電場儀設計中，根據式(5)可求得初始角φ′=33.23°，但實際選擇φ′=37°。圖4為被測電場在-600 V/m情況下，分別選取初始角φ′=0°和φ′=37°時，相敏檢波電路的兩組對比實驗波形。波形1為I-V轉換后的感應電壓信號，頻率為40 Hz，其幅值與被測電場的強度成正比;波形2為從模擬開關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的極性相反。通過觀察兩組實驗波形可發現，當初始角φ′=O°時，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，全波檢波后為單一正方向脈動直流電壓信號，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為負電場，從而實現了被測電場極性的準確鑒別。

　　3 結 語

　　設計了一種由光電開關、四通道模擬開關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，對其工作原理進行了分析。同時通過實驗驗證了正確放置光電開關的位置即設置小葉片的初始角φ′，可實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在設計的大氣電場儀中得到了應用，在實際監測和工作中性能穩定，能很好地鑒別出被測電場極性。