移相器与相敏检波器实验

实验四移相器与相敏检波器实验

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【实验目的】

1. 理解移相器和相敏检波器的工作原理。

2. 学习传感器实验仪和交流毫伏表的使用。

3. 学习用双踪示波器测量相移的方法。

【实验原理】

1. 移相器的工作原理

移相器是由电阻、电抗元件、非线性元件和有源器件等构成的一种电路，当正弦信号经过移相器时其相位会发生改变。理想的移相器在调整电路参数时，可使通过信号的相位在0之间连续变化，而不改变信号的幅度，即信号可不失真地通过，只是相位发生了~

︒

︒360

变化，图6-1为移相器的工作原理，其中相角ϕ为经过移相器所获得的。Array

2. 相敏检波器的工作原理

相敏检波器是一种根据信号的相位来提取有用信号的处理电路，在外部同频控制信号作用下，用控制信号来截取输入信号，相敏检波器输出的直流分量为反映输入信号与控制信号相位差的直流电压，经低通滤波器LPF滤除高频分量后得

到直流输出信号E；相敏检波器的组成框图见图6-2。

设控制信号表达式为： ⎪⎩

⎪⎨

⎧

<<≤≤=T

t T T t u 20201' 设输入信号为：)sin(ϕω+=t U u ，输入信号与控制信号在时域中的关系见图6-3。

用控制信号截取输入信号后得到：'0u u u ⋅=，对0u 积分并在一个周期内取平均得： 2

/02/0

2/0)][cos()()sin()sin(1T T T t T U

t d t T

U

dt t U T E ϕωωϕωϕωωϕω+-=++=+=

⎰⎰

ϕπ

ϕϕπϕππϕϕππcos ]cos sin sin cos [cos 2]cos )[cos(2U U U =---=-+-

= （6-1） 由式（6-1）可以看出，相敏检波器经低通滤波器输出一个反映输入信号相位差的直流电压，当0=ϕ时，即输入信号与控制信号同相时π

U

E =，当︒=90ϕ，即输入信号与控制

信号正交时，0=E 。

利用相敏检波器可以消除信号中干扰噪声的影响。设输入信号中包含有噪声信号n u 和有用信号s u ，即：n s u u u +=，则：n c s c c u u u u u u u +=⋅=0，对0u 积分并在一个周期内取平均得：dt t U u T dt t U u T E T

n n c T s s c ⎰⎰+++=

0)sin(1)sin(1ϕωϕω )]cos()cos([1

c n n c s s U U ϕϕϕϕπ

-+-=

通过移相器调节控制信号c u 的相位，使噪声信号与控制信号相差90°相角，此时：

90=-c n ϕϕ，则：)cos(c s s

U E ϕϕπ

-=

，即相敏检波器的输出仅含有有用信号s u 分量，

噪声信号被剔除。因此，相敏检波器广泛用于通信领域和无损检测领域等用于有用信号的甄别。

【实验仪器和装置】

传感器实验仪、双踪示波器、交流毫伏表。 【实验内容】

接通传感器实验仪、双踪示波器和交流毫伏表电源，预热10分钟。

1. 移相器相移量的测量：

在传感器实验仪上找到音频振荡器、移相器模块，将音频振荡器的输出端︒0接到移相器的输入端，地线用导线连接。双踪示波器的CH1、CH2选定AC 输入，探头衰减比1：1， 触发源模式MODE 拨到“DAUL ”，显示方式ALT/CHOP 置“ALT ”。CH1接音频振荡器输出端，CH2接移相器输出端。交流毫伏表的L .CH 接音频振荡器输出端，R .CH 接移相器输出端。调整音频振荡器的频率旋钮，用示波器观察振荡波形的周期为200us ，此时输出频率为5KHz ；调整音频振荡器的输出幅度旋钮至输出幅度为5V （用交流毫伏表测量，注意：红表笔接测量端，黑表笔接地，根据信号幅度合理选择量程）。保持音频振荡器输出信号幅度5V 有效值不变，调整移相器移相旋钮，在示波器屏幕上观察CH1、CH2通道信号之间的相位变化。调整扫描速率“TIME/DIV ”和水平位移旋钮“POSITION ”，使得CH1音频振荡器波型的过零点处于示波器屏幕某一条垂直分度线上，则CH2移相器输出信号波型的过零点相对于CH1在时间轴上的分度差DIV ∆即代表两通道信号之间的相位差，通过分度差可计算出时间偏差：)/(DIV TIME DIV T ⨯∆±=∆，注意观察CH2波形相对于CH1波形是超前还是滞后，如果CH2超前CH1，则T ∆为正值，如果CH2滞后CH1，则T ∆为负值，根据T ∆可计算出相移量：︒⨯∆=

360T

T

ϕ。 2. 移相器输出幅度与相移量关系的测量：

保持音频振荡器输出信号幅度V 0=5V 有效值不变，输出频率为f=5KHz ，调整示波器扫描速率“TIME/DIV ”为10us ，调整移相器移相旋钮使得T ∆分别为24us 、16 us 、8 us 、0 us 、-8 us 、-16 us 、-24 us 、-32 us 、-40 us 、-48 us 、-56 us 、-64 us 时测量移相器输出信号的幅度d V ，记录入表6-1，计算出相移量︒⨯∆=

360T

T

ϕ，在直角坐标纸上画出ϕ--d V 曲线, 确定理想相移范围。

3. 相敏检波器实验：

a ）在传感器实验仪上找到音频振荡器、移相器、相敏检波器模块和直流电压表，按图6-4接线。 将音频振荡器的输出端︒0接到移相器的输入端，地线用导线连接，移相器输出接相敏检波器的输入端，音频振荡器的输出端︒0接相敏检波器的控制端，相敏检波器的输出端接直流电压表正输入端（用直流电压表代替低通滤波器LPF ），直流电压表选择20V 档。双踪示波器的CH1、CH2选定AC 输入，探头衰减比为1：1，触发源模式MODE 拨到“DAUL ”， 显示方式ALT/CHOP 置“ALT ”。CH1接音频振荡器输出端，CH2接移相器输出端。保持音频振荡器输出信号幅度5V 有效值不变，输出频率为5KHz ，调整示波器扫描速率“TIME/DIV ” 为10us ，调整移相器移相旋钮使得T ∆分别为24us 、20 us 、16 us 、12 us 、8 us 、4 us 、 0 us 、-4 us 、-8 us 、-12 us 、-16 us 、-20 us 、-24 us 、-28 us 、-32 us 、-36 us 、 -40 us 、-44 us 、-48 us 、-52 us 、-56 us 、-60 us 、-64 us 时记录直流电压表的测量数据E ，记录入表6-2，计算出相移量︒⨯∆=

360T

T

ϕ，在直角坐标纸上画出ϕ--E 曲线。

b ）根据式（6-1）计算相敏检波器输出直流分量：ϕπ

ϕπ

cos 22cos '

o

V kU

E =

=

（k =2，

k 为放大系数），记入表6-2并在直角坐标纸上画出ϕ--'

E 曲线。 【数据记录与数据处理】

示波器扫描速率TIME/DIV= 200 us ，振荡频率f = 5 KHz, 振荡器幅度 V 0 = 5 V