|
大氣電場為一矢量，晴天時大氣中存在著方向垂直向下的負電場，雷雨天時由于雷暴云的影響，大氣中為方向垂直向上的正電場。大氣電場儀在進行地面大氣電場監測時，不僅要測量出被測電場的強度，還要辨別出被測電場的極性。電場的極性通常采用相敏檢波的方法來區別，因此需要在電場儀的前置放大電路中加入相敏檢波器。常用的相敏檢波器有兩種：一種由變壓器和二極管橋組成，這種電路體積大，穩定性差；另一種則由模擬乘法器構成，性能上得到了很大提高，但價格高，調試麻煩。為此，在研制大氣電場儀的過程中，根據大氣電場儀探頭的結構特點和大氣電場測試中對檢波器的要求，利用光電開關、四通道模擬開關和運放組合設計一種結構簡單，性能穩定的相敏檢波器。同時，為了對電場信號的極性進行有效可靠的鑒別，根據相敏檢波理論，將通過調整光電開關的設置位置，保證感應電壓信號與同步脈沖信號同相，以獲得最大整流輸出，從而準確辨別被測電場極性。 1 相敏檢波電路設計 大氣電場儀傳感器探頭如圖1所示，動片與小葉片形狀相似，且上下位置對應一致，均固定在電機軸上，由無刷電機帶動按一定的頻率同時旋轉。感應片為分離的四片，相對的兩片為一組，分為A，B兩組，每組的形狀與動片完全相同，動片和感應片均選用黃銅材料制成。 1．1 感應的微弱電壓信號與同步脈沖信號 當探頭中的電機帶動動片和小葉片轉動時，感應片上產生了交流感應電流信號，該交流電流信號經I-V轉換電路后，得到交流感應電壓信號V1(t)，在一個周期T內其表達式為： 式中：I為電場儀探頭輸出的感應電流信號的幅度；R，C分別為I-V轉換電路的反饋電阻和反饋電容；T為動片暴露和遮擋感應片A或B一次的時間；VRC為t=T／2時感應電壓信號的等效幅度；K為一常數， 在動片轉動的同時，小葉片按同樣的頻率ω周期，通過光電開關的凹槽，發光二極管的光路被周期切斷或通過，使光電三極管處于導通和截止兩種狀態，因此，在第一個周期T內，同步脈沖信號為Vc(t)，其表達式為： 經對電路實驗證明，此檢波電路能很好地濾除諧波成分，同時，通過觀察濾波之后直流電壓的正負，可以辨別出被測電場極性。實際電路中運放A1，A2均選用的是雙電源運放OP07DP。 1．3 相敏檢波電路工作原理 假如電場儀探頭處于正電場中，探頭的感應電壓信號V1(t)和同步信號VC(t)分別經圖3的檢波器輸入。 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。 |
