用于檢測調諧回路的鑒相器分析設計

摘 要：鑒相器在調諧回路的檢測中具有非常重要的作用。分析了二極管平衡鑒相器電路及其相應取樣電路的工作原理。針對該電路的不足，提出了新的解決方案及元器件參數的設計方法。該方案以乘法器和低通濾波器為鑒相器的核心電路。實驗結果表明，該方案能方便地調節取樣信號的幅度，能精確地檢測出失諧電路的失諧狀態，并輸出相應的電壓信號。

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關鍵詞：鑒相器； 調諧回路； 乘法器； 低通濾波器

中圖分類號：

TN763.3-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)05

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Analysis and design of phase detector for detecting tune circuit

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FANG Ming， LUO Chun-hui， LI Zong

(The 722 Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Wuhan 430079， China)

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Abstract：

The phase detector is very important in the application of tune circuit detection. The principle of diode balanced phase detector and its corresponding sampling circuit are analyzed， and a new project of phase detector and design method of component parameters are proposed for the shortcomings of the circuit. The multiplier and low pass filter are pivotal parts of the new project. Experimental results show that the new project can control the range of sampling signal conveniently， detect the state of detune in detuned circuit accurately， and output the corresponding voltage signal.

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Keywords： phase detector； tune circuit； multiplier； low pass filter

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收稿日期：2011-09-30

0 引 言

功率放大輸出網絡中的調諧回路是否處于準確的諧振狀態，這對整個發射機的工作狀態將有很大的影響，輸出網絡調諧不好，將嚴重影響整個機器的功率和效率。對于由電感L、電容C和電阻R串聯而成的電路而言，回路調諧是指回路呈純阻性，此時回路中任一點的電壓與流過此點的電流同相位［1］。鑒相器能將兩個輸入信號的相位差變化轉化為輸出電壓的變化，可以實現鑒相的功能，因此可用鑒相器檢測調諧回路是否調諧。鑒相器按其使用類型可分為數字鑒相器和模擬鑒相器，通常使用的二極管平衡鑒相器即屬于模擬鑒相器［2］，但此鑒相器在實際使用中存在一些不足，限制了它的使用。本文提出了以乘法器和低通濾波器為鑒相器核心的新的解決方案，有效解決了鑒相器的取樣信號幅度不易控制問題和鑒相器的鑒相特性不高問題。

1 二極管平衡鑒相器的工作原理及取樣電路

1.1 二極管平衡鑒相器的工作原理

二極管平衡鑒相器的原理圖［3-5］如圖1所示。其工作原理如下：

兩路電壓信號V1和V2頻率相同。由于信號V2在電路中的所處位置，使得加到二極管D1和D2中電壓信號分別為V2+0.5V1和V2－0.5V1，V1和V2的相位差在0°~180°范圍內有等于90°、大于90°和小于90°三種情況。當V1和V2的相位差為90°時，疊加到D1和D2中電壓信號的模相等，電路輸出電壓差為0 V；當V1和V2的相位差大于和小于90°時，疊加到D1和D2中電壓信號的模不相等，此時電路輸出正的或負的電壓差。其中，電壓差的正負代表了調諧的方向，電壓差的大小代表了調整的距離。

1.2 鑒相器的取樣電路

由以上分析可知，從調諧回路中引出的兩路電壓信號的相位差必須成90°，這樣才能保證鑒相器在調諧時的靈敏度最高。為從調諧回路引出兩路電壓信號，通常采用以下方法，如圖2所示。

一路電壓信號利用取樣環加電阻負載取出，根據互感電動勢原理、取樣環繞線本身的電感大小以及負載電阻值大小，可以推導出負載電阻兩端的電壓與饋線電流同相位。具體分析如下：根據互感電動勢原理，互感電動勢e=jωMI，則取樣環的互感電流為I′=jωMIR+jωL，其中ω為饋線電流的角頻率;M為取樣環的互感;I為饋線電流;I′為取樣環感應電流;R為取樣環的負載阻抗。因為R1，R2的值遠小于取樣環繞線本身的感抗，則U=(R1+R2)MIL，表明負載電阻兩端的電壓與饋線電流同相位；另一路電壓信號利用電容電阻分壓從饋線上直接取出，為使分壓之后的電壓信號與饋線電壓相位成90°，必須使電容的容抗遠大于電阻的阻抗，只有這樣才能忽略發射機工作頻率對相位的影響，但這嚴重影響了電壓分壓的效果。為了權衡90°與分壓信號大小兩者之間關系，電容和電阻分別取值為5 000 pF和35 Ω，可以忽略工作頻率對相位的影響，使電阻分壓信號與饋線電壓信號成85°左右相位差，但電阻分壓信號存在很大的噪聲。

為改變這種情況，特將取樣環的負載電阻換成了容值為0.32 μF的電容，由此得到的電容兩端電壓與饋線電流的相位差成90°。具體分析如下：當發射機工作頻率在20 kHz時，電容的容抗為24.9 Ω，遠小于取樣環繞線本身的感抗。由上文互感電動勢原理分析可知，取樣環流過電容的電流與饋線電流同相位。又因為電容兩端電壓與流過電容的電流相位差成90°，所以電容兩端電壓與饋線電流成90°相位差，并且不受發射機工作頻率的影響。經現場實測，證明用這種方法取出的電壓信號的波形干凈，且與饋線電流信號成精確的90°相位差。

另一路信號直接用470 kΩ電阻和4.7 kΩ電阻將饋線高電壓分壓成小信號電壓，因是電阻分壓，所以分壓電壓與饋線電壓同相位，如圖3所示。

將這兩路信號輸入二極管平衡鑒相器，電阻分壓信號存在嚴重噪聲，波形幾乎沒有，這與二極管平衡鑒相器的輸入阻抗太小有關。

1.3 二極管平衡鑒相器的不足之處

在實際使用中二極管平衡鑒相器存在如下兩個主要問題［2］:

(1) 電阻R1，R2，二極管D1，D2要嚴格配對使用。

由于二極管平衡鑒相器是把相位的差值反映到輸出的電壓幅度上，若R1，R2不相等，二極管D1，D2有差異，電路即會失去平衡，造成鑒相誤差，降低鑒相器的鑒相特性。

(2) 對于兩路取樣信號要嚴格控制其取樣幅度。

二極管PN結的特性決定了兩路取樣信號的幅值不能太小，其工作耐壓值又決定了取樣信號幅值不能太大，取樣信號的幅度范圍不易把握。

2 乘法器型鑒相器設計

鑒于二極管平衡鑒相器存在諸多不足之處，本文使用有源器件重新設計了鑒相器電路。采用四象限模擬乘法器和低通濾波器，可以實現鑒相功能，此處簡稱乘法器型鑒相器。乘法器電路部分與低通濾波器電路部分采用直接耦合方式，整個電路結構簡單，如圖4所示。

2.1 乘法器型鑒相器的原理分析

乘法器型鑒相器的工作原理簡述如下：模擬乘法器的兩個輸入端分別加入信號v1=V1cos(ω0t+φ1)和v2=V2cos(ω0t+φ2)。模擬乘法器的輸出電壓為：



vout=V1cos(ω0t+φ1)V2cos(ω0t+φ2) 

=12V1V2［cos(φ1－φ2)+cos(2ω0t+φ1+φ2)］

(1)



由式(1)可見，乘法器［6-8］的輸出是兩輸入信號的差頻項與和頻項，通過低通濾波器，濾除不需要的頻率信號(2ω0t+φ1+φ2)，取出的電壓信號為：



vo=12V1V2cos(φ1－φ2)

(2)

由式(2)可見，vo隨兩輸入信號的相位差φ1－φ2的余弦變化。在φ1－φ2＝12π附近，有較高的靈敏度，這一點與二極管平衡鑒相器相同，因此仍采用圖3所示的信號取樣電路。

2.2 乘法器型鑒相器的主要器件的特點及參數設計

2.2.1 乘法器的特點

考慮到大功率高電壓的特點，特選取輸入電壓范圍為-10~10 V，輸出電壓范圍為-11~11 V，帶寬為1 MHz的乘法器AD633JN。AD633JN是一款功能完整的四象限模擬乘法器，包括高阻抗差分X和Y輸入以及高阻抗求和輸入Z。低阻抗輸出電壓為10 V標稱滿量程，由一個嵌入式齊納二極管提供，高輸入阻抗(10 MΩ)使得信號源負載可忽略不計，電源電壓范圍為-8~18 V。使用AD633JN時，無需外部器件或執行昂貴的用戶校準，易于使用，性價比高。其輸出W與兩差分輸入X，Y以及求和輸入Z之間滿足以下關系式：



W=(X1－X2)(Y1－Y2)10+Z

(3)



在使用中，將AD633JN的X2腳、Y2腳和Z腳同時接信號地，X1腳和Y1腳分別接圖3所示的兩路取樣信號。兩路取樣信號設定有明確的幅值范圍，很容易進行幅度控制。由于AD633JN是高阻抗的差分輸入，故從調諧回路取出的兩路信號接入乘法器后，經現場實測，兩路取樣信號的波形不受影響且無噪聲。

2.2.2 低通濾波器電路RC參數設計

濾波器電路采用的是二階壓控電壓源低通濾波器，它由兩節RC濾波電路和同相比例放大電路組成。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。

通過分析二階低通濾波器電路傳遞函數的典型表達式可知，電路的通帶增益A0≥3時，電路將自激振蕩，只有當A0<3時電路才能穩定工作；并且當等效品質因數Q=0.707時，濾波器的幅頻響應較平坦［9-10］，因此本文將濾波器的通帶電壓增益設置為1.586倍，對應的電阻R1和反饋電阻Rf分別取值為2 kΩ和1.2 kΩ，低通濾波器的截止頻率設定為800 Hz。

3 實驗結果

本文采用圖3所示的取樣電路采集鑒相器所需的兩路信號，發射機工作頻率為30 kHz，饋線電壓約為650 V。用示波器的通道2監測電阻分壓信號，用示波器的通道3監測取樣環電容負載兩端的電壓信號，用示波器的通道4顯示乘法器型鑒相器的輸出，示波器的通道1顯示利用電流波形變換器采集到的饋線電流信號。

由上文分析可知，通道1的波形應始終超前通道3的波形90°相位，如圖5~圖7所示；當電路呈感性，即饋線電壓信號的相位超前饋線電流信號時，鑒相器輸出直流電壓負值，如圖5所示；當電路諧振時，鑒相器輸出為0 V，如圖6所示；當電路呈容性，即饋線電壓信號的相位滯后饋線電流信號時，鑒相器輸出直流電壓正值，如圖7所示。乘法器型鑒相器輸出結果見表1。

4 結 語

本文設計的乘法器型鑒相器克服了二極管平衡鑒相器的鑒相性能低下，取樣信號幅值范圍難以確定等不足，鑒相器電路結構簡單，電路工作穩定，鑒相性能良好，能準確地檢測出發射機調諧回路是否處于調諧狀態。當調諧回路失諧呈感性時，Vo＜0 V；當調諧回路諧振時，輸出直流電壓信號Vo＝0 V；當調諧回路失諧呈容性時，Vo＞0 V。

參 考 文 獻

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作者簡介：

方 明 男，1981年出生，湖北武漢人，碩士研究生，助理工程師。主要研究方向為電子線路的測控技術。

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(上接第155頁)

4 結 論

經過對系統進行節點設計、現場調試、組網和上位機監控設計，調試結果表明該系統能夠有效實現電力監控管理與節能。實現了某高校電力能源的實時分項、數據采集存儲查詢、統計與分析功能；電力節能潛力分析、為實現校園電力能耗的有效節約與管理提供了支持。

參 考 文 獻

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作者簡介：

劉莉莉 女，陜西咸陽人，碩士研究生。主要研究領域為智能控制與智能信息處理。

段中興 男，教授，博士，碩士研究生導師。主要研究領域為智能控制與智能信息處理。