大气电场仪中相敏检波器的分析与设计

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。

本文引用地址： 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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