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模块三传感器原理及检测实训 相敏检波器 3 7 1相敏检波器概述3 7 2预备知识一 运算放大器的应用 零电压比较器3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关3 7 4相敏检波器实验电路分析 返回首页 3 7相敏检波器 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 在化学 物理 生物 医学 天文 通信及电子技术等领域中都涉及到对微弱信号的检测 为了提高测量准确度 就得设法抑制噪声 对被噪声覆盖的弱信息进行提取 测量 对于微弱的频域信号 较为理想的检测方法就是相关检测 相关检测系统原理框图如下图所示 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 信号通道把输入的被测信号选频放大 初步滤除噪声 后 输给相敏检波器的一端 参考通道在参考信号的触发下 输出相位可调的 与输入信号同频的占空比1 1的方波 相敏检波器比较两路信号后输出直流信号 直流放大器经低通滤波和进一步放大后输出直流信号 其幅度与两路输入信号幅度和它们的相位差成比例 相敏检波器是相关检测的核心部件 它决定了测试系统的准确度以及弱信号检测水平 1 系统工作原理 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 抑制噪声 实现对正弦信号或调幅信号进行幅值和相位的检测 2 系统的作用 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 移相器 相敏检波器电路模块的面板布局如图所示 3 实验系统的构成 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 一移相器 改变输入信号的相位并输出 一个输入端口一个输出端口一个相位差调节旋钮 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 二低通滤波器 通过低频信号 抑制高频信号一个输入端口一个输出端口 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 三相敏检波 检波VI 信号输入端 AC 交流参考信号输入端 DC 直流参考信号输入端 VO 信号输出端D两侧的两个端子用来观察参考信号在电路内部被转换成矩形波的情况 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 三相敏检波 输出效果当参考电压为正时 相敏检波器的输入与输出信号同相 当参考电压为负时 相敏检波器输入与输出信号反相 1 以直流电压为参考信号接DC 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 三相敏检波 1 条件相敏检波输入Vi为交流信号 AC参考信号VAC为Vi或与之有相位差的交流信号 2 输出效果若Vi和VAC同相 则相敏检波模块输出为正极性的整流信号 经低通滤波器接直流电压表可以指示正极性的最大值 反之则输出负极性的整流波形 经低通滤波器接直流电压表可以指示负极性的最大值 该模块的旋钮可以使整流效果在半波和全波整流之间转变 即输出直流电压可以逐步从半波整流值增大到全波整流值 2 以交流信号为参考信号接AC 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 三相敏检波 3 用途将交流信号转换成直流用直流电压表获取其量值信息 适用于传感器测量系统中没有设置交流测量功能模块的情况 直流电压表的正负可以反映输入电压和参考电压的相位关系 适用于传感器测量中其可动部分从中间点向两侧移动不同方向对应反相相位信号的情况 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 三相敏检波 以交流信号为参考信号的特殊情况 条件相敏检波模块的输入为调幅波 参考信号为调幅波的载波 在调制信号的正半周 调幅波与载波同相 在负半周 调幅波与载波反相 输出效果在调制信号的正半周 输出正极性的半波 全波整流信号 在调制信号的负半周 输出负极性的半波 全波整流信号 3 以调幅波的载波为交流参考信号 返回首页 3 7 1相敏检波器概述 三相敏检波 3 以调幅波的载波为交流参考信号 1 载波 2 调制信号 3 调幅波 4 相敏检波输出 5 低通滤波器输出 返回首页 3 7 2预备知识一 运算放大器的应用 零电压比较器 电压比较器的功能 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小 当两者幅度相等时输出电压产生跃变 由高电平变成低电平 或者由低电平变成高电平 由此来判断输入信号的大小和极性 用途 数模转换 数字仪表 自动控制和自动检测等技术领域 以及波形产生及变换等场合 运放工作在开环状态或引入正反馈 返回首页 3 7 2预备知识一 运算放大器的应用 零电压比较器 理想运放工作在饱和区的特点 1 输出只有两种可能 Uo sat 或 Uo sat 当u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 不存在 虚短 现象2 i i 0仍存在 虚断 现象 电压传输特性 返回首页 3 7 2预备知识一 运算放大器的应用 零电压比较器 过零电压比较器 利用电压比较器将正弦波变为方波 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 结型场效应管 JunctionFieldEffectTransistor 简称JFET 有N沟道JFET和P沟道JFET之分 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 源极 用S或s表示 N型导电沟道 漏极 用D或d表示 符号中的箭头方向表示什么 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 图3 7 1结型场效应管的结构示意图及其表示符号 a N沟道JFET b P沟道JFET 一 结型场效应管的结构及工作原理 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 N沟道JFET 是在一根N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P 型区 形成两个PN结 将两个P 区接在一起引出一个电极 称为栅极 Gate 在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道 在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极 这两个电极间加上一定电压 便在沟道中形成电场 在此电场作用下 形成由多数载流子 自由电子产生的漂移电流 我们将电子发源端称为源极 Source 接收端称为漏极 Drain 在JFET中 源极和漏极是可以互换的 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 如果在栅极和源极之间加上负的电压UGS 而在漏极和源极之间加上正的电压UDS 那么 在UDS作用下 电子将源源不断地由源极向漏极运动 形成漏极电流ID 因为栅源电压UGS为负 PN结反偏 在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流 所以栅极电流IG 0 源极电流IS ID 这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 当栅源负压UGS加大时 PN结变厚 并向N区扩张 使导电沟道变窄 沟道电导率变小 电阻变大 在同样的UGS下 ID变小 反之 UGS 变小 沟道变宽 沟道电阻变小 ID变大 当 UGS 加大到某一负压值时 两侧PN结扩张使沟道全部消失 此时 ID将变为零 我们称此时的栅源电压UGS为 夹断电压 记为UGSoff 可见 栅源电压UGS的变化 将有效地控制漏极电流的变化 这就是JFET最重要的工作原理 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 a UGS 0 沟道最宽 ID最大 b UGS负压增大 沟道变窄 ID减小 c UGS负压进一步增大 沟道夹断 ID 0 图3 7 2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 a UGS 0 沟道最宽 ID最大 b UGS负压增大 沟道变窄 ID减小 c UGS负压进一步增大 沟道夹断 ID 0 图3 7 2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 a UGS 0 沟道最宽 ID最大 b UGS负压增大 沟道变窄 ID减小 c UGS负压进一步增大 沟道夹断 ID 0 图3 7 2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 栅 源电压对导电沟道宽度的控制作用 沟道最宽 UGS off 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 二 结型场效应管的特性曲线1 转移特性曲线转移特性曲线表达在UDS一定时 栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用 即 1 理论分析和实测结果表明 iD与uGS符合平方律关系 即 2 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 式中 IDSS 饱和电流 表示uGS 0时的iD值 UGSoff 夹断电压 表示uGS UGSoff时iD为零 转移特性曲线如后图3 7 3 a 所示 为了使输入阻抗大 不允许出现栅流iG 也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制 PN结一定要反偏 所以在N沟道JFET中 uGS必须为负值 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 图3 7 3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 a 转移特性曲线 b 输出特性曲线 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 图3 7 3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 a 转移特性曲线 b 输出特性曲线 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 2 输出特性曲线输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系 如图3 7 3 b 所示 根据特性曲线的各部分特征 我们将其分为四个区域 1 恒流区恒流区相当于双极型晶体管的放大区 其主要特征为 1 当UGSoff UGS 0时 uGS变化 曲线平移 iD与uGS符合平方律关系 uGS对iD的控制能力很强 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 2 UGS固定 uDS增大 iD增大极小 说明在恒流区 uDS对iD的控制能力很弱 这是因为 当uDS较大时 UDG增大 靠近漏区的PN结局部变厚 当 uDS uGS UGSoff 3 时 沟道在漏极附近被局部夹断 称为预夹断 如图3 7 4 b 所示 此后 uDS再增大 电压主要降到局部夹断区 而对整个沟道的导电能力影响不大 所以uDS的变化对iD影响很小 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 2 可变电阻区当uDS很小 uDS uGS UGSoff 时 即预夹断前 如图3 7 4 a 所示 uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度 从而影响iD的大小 所以在此区域 随着uDS的增大 iD增大很快 与双极型晶体管不同 在JFET中 栅源电压uGS对iD上升的斜率影响较大 随着 UGS 增大 曲线斜率变小 说明JFET的输出电阻变大 如图3 7 3 b 所示 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 图3 7 4uDS对导电沟道的影响 返回首页 3 7 3预备知识二 结型场效应管的应用 电子开关 3 截止区当 UGS UGSoff 时 沟道被全部夹断 iD 0 故此区为截止区 若利用JFET作为开关 则工作在截止区 即相当于开关断开 4 击穿区随着uDS增大 靠近漏区的PN结反偏电压uDG uDS uGS 也随之增大 3 7 4相敏检波器实验电路分析 一 电路结构相敏检波器电路如图3 7 5所示 其中 A1为零电压比较器 D为检波二极管 3DJ7J为场效应管电子开关 A2为差动放大器 对信号进行放大与合成 A1 A2均采用具有双运放的集成芯片LF353N 相敏检波器主要由三部分组成 一是由运算放大器A1构成的整形电路部分 用于对参考信号的处理 二是由场效应管构成的电子开关电路部分 控制相敏检波器 三是由运算放大器A2构成的相敏检波器部分 返回首页 返回首页 3 7 4相敏检波器实验电路分析 图3 7 5相敏检波器电路 3 7 4相敏检波器实验电路分析 相敏检波器工作时要求参考信号ur t 和被测信号us t 频率相同 在实际的测量系统中 两信号采用同一信号源激励 保证同频 即取 ur t us t uscos t 频率为低频至十万赫 对其频率稳定度要求不高 且ur us同相 相位差 0 相敏检波器可获最大输出 便于测量 返回首页 返回首页 3 7 4相敏检波器实验电路分析 二 工作原理参考信号ur t 经A1和D组成的整形电路后的输出u1 t 是与被测信号us t 同频 同相 占空比1 1的方波 此方波信号是控制电路电流流通的开关 为场效应管3DJ7J提供栅源偏置电压 控制电子开关的动作 决定场效应管漏极信号u3 t 由场效应管工作原理知 u3 t us t 0 T 2 0 T 2 T 1 返回首页 3 7 4相敏检波器实验电路分析 差放A2对信号us t 和u3 t 进行合成 得到相敏检波器输出信号uo t 其表达式为 2 当场效应管截止时 运放A2工作在跟随状态 当场效应管导通时 A2工作在反相放大状态 验证测量时取Rf R4 把式 1 代入式 2 中 得 uo t us t 0 T