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1、、移相器与相敏检波器实验【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。360。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 变化，图1为移相器的工作原理，其中相角为经过移相器所获得的。u 二 U sin w tu = U sin( t + 申)io移相器 图1移相器工作原理2. 相敏检波器的
2、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2。图2相敏检波器的组成框图fT10 t 设控制信号表达式为：u =t 20 t T2设输入信号为：u = U sin( wt + 9)，输入信号与控制信号在时域中的关系见图3。0T/2tt图3输入信号u与控制信号uE =丄U sin( + p)dt = Jsin(+ p)d(t + p) = - cos( + p)t/2roTT0用
3、控制信号截取输入信号后得到：uo二u -u，对uo积分并在一个周期内取平均得:=T ” roT 00=-cos(冗 +p) - cosp = -cos 冗 cos p - sin 冗 sin p - cosp = U cosp2冗2冗冗由式可以看出，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Q二0时，即输入信号与控制信号同相时E = U，当p二90。，即输入信号与控制信号正兀交时，E = 0。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u和有用信号u，即：u = u + u，贝y： u = u - u = u u + u u，对u积分并在一个周期内
4、n 0 c c s c n 01 T1 T取平均得：E = J u U sin( rot + p )dt +J u U sin( rot + p )dtT C ssT C nn00=丄U cos(p -p ) + U cos(p -p )ss兀 sscnnc通过移相器调节控制信号 u 的相位，使噪声信号与控制信号相差 90相角，此时： cp -p = 90，贝y： E =伫cos(p -p )，即相敏检波器的输出仅含有有用信号u分量,兀s C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】
5、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CHI、CH2选定AC输入，探头衰减比1： 1, 触发源模式MODE拨至l“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
6、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ADIV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：AT二士ADIV x （TIME /DIV），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AT为正值
7、，如果CH2滞后CH1，则AT为负值，根据ATAT可计算出相移量：9二x 360。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V5V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AT分别为24us、16us、8us、Ous、 -8us、-16us、-24us、-32us、-40us、-48us、-56us、-64us 时测量移相器输出信号的幅度ATV，记录入表1,计算出相移量申二x 360，在直角坐标系上画出V -申曲线，确定dTd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
8、、相敏检波器模块和直流电压表，按图 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拨至“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” 移相器为10us,调整移相器
9、移相旋钮使得AT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AT压表的测量数据E，记录入表2,计算出相移量9二x 360。，在直角坐标纸上画出E曲线。为放大系数），记入表2并在直角坐标系上画出E -9曲线。【数据记录与数据处理】示波器扫描速率TIME/DIV=J00us，振荡频率f =_5_KHz,振荡器幅度V。= 5
10、V表 1 移相器输出幅度与相移量关系的测量AT / usT / us9 = AT x 360。/。 T移相器输出幅度Vd/ V2420043.24.91628.84.8814.44.8004.8-8-14.44.9表 1（续） 移相器输出幅度与相移量关系的测量AT / usT / us申=AT x 360。/ T移相器输出幅度Vd/ V-16200-28.85.0-24-43.25.0-32-57.64.9-40-724.9-48-86.45.0-56-100.84.9-64-115.24.9炳线匚n匚下图为查阅到的参考线。曲线分析：从图中可以看出，角度在-120到-90时，直流电压几乎不变，
11、角度小于-90电压 突然增大，然后保持不变（这里因为实验精度问题不能体现）。当角度为正值时，电压随着 角度的增大迅速减小，但有一个电压在角度增大时也有迅速增大的趋势，由于测量数据较少,没有发现之后的规律。表 6-2 相敏检波器实验数据AT / usT / us申=AT x 360。/ T电压表读数E / V检波器输出值E/ V2420043.2-2.63.12036-2.453.41628.8-2.0531221.6-1.773.3814.4-1.293.147.2-1.153.600-0.773.7-4-7.2-0.193.7-8-14.4-0.163.8-12-21.60.353.6-16
12、-28.81.193.6-20-361.263.8-24-43.21.753.6-28-50.42.313.3-32-57.62.753.5-36-64.83.053.1-40-723.442.9-44-79.23.782.8-48-86.44.192.7-52-93.64.262.6-56-100.84.412.5-60-1084.372.5-64-115.24.292.3其中：E是直流电压表测量数据，单位：V, e是相敏检波器输出的直流分量计算值，单位:E 0曲线下图为查阅到的参考线。/I r-/ 15/ ;/ :/05W:50-100-50050100曲线分析：实验中当角度大于-100度
13、时，随角度增加电压以平滑曲线形式减小；当角度小 于-100,随角度减小电压逐渐增大。总体形状与正弦曲线相似，我想，如果测得数据足够多， 其变化规律就是正弦曲线，且具有周期性。参考线中当角度大于-90度时，随角度增加电压 以平滑曲线形式增大；当角度小于-90，随角度减小电压逐渐增大。当角度大于0时，随着 角度的增大，电压逐渐减小。总体形状与正弦曲线相似，我想，如果测得数据足够多，其变 化规律就是正弦曲线，且具有周期性。【思考题】1如果已知移相器是非理想的，但知道Vd T的函数关系，能否将其用于相敏检波？为什么？答：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。360。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，只是相位发生了变化。如果已知移相器是非理想的，但知道V -甲的函数关系，仍可用于相敏检波。用V -甲的函数关系对移相器dd进行相应的调整即可、2. 试举出已知常见的移相器例子（非理想也可），画出相应电路图。答：大功率宽带数字移相器，变压器移相器，高功率双工旋转场移相器，三相综合移相器等。
