小信號幅度測量中的差分同步解調(diào)技術(shù)

《小信號幅度測量中的差分同步解調(diào)技術(shù)》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、小信號幅度測量中的差分同步解調(diào)技術(shù)郭延芬1，蔣立平2（1．東南大學(xué)無線電工程系，江蘇南京210018；2．南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210094）［摘要］本文介紹一種用于測量小信號幅度的電路，被測信號范圍為微伏級到幾毫伏。電路設(shè)計方法適用于將數(shù)?；旌闲驼也òl(fā)生器作為信號源的測量儀器。文中主要討論兩方面問題，對兩個正弦波信號之差的正確解調(diào)和測量中的共模信號校正。［關(guān)鍵詞］同步解調(diào)；采樣保持電路；幅度測量1引言測量人體某些部位的電傳導(dǎo)率，并通過成像，以幫助病情診斷，是當(dāng)前正在發(fā)展的一項技術(shù)［1］。常用的測量方法是：對人體注

2、入一個恒頻等幅電流，電流通過體內(nèi)阻抗形成電壓，該電壓幅度隨阻抗的變化而變化，屬調(diào)幅波。通過測量電極對測量兩指定位置間的電位差，就可求得阻抗分布情況。測量中，注入電流的頻率一般為20～30kHz，測量電極所感應(yīng)信號的范圍為幾十微伏到幾十毫伏，能接受的測量精度為0．1％。在一般測量中，容易引起誤差的因素有兩個方面：一是共模抑制比（CMRR）；二是失調(diào)電壓。本文介紹的采用采樣保持電路的差分同步解調(diào)技術(shù)，除選用較好的運(yùn)放來提高CMRR外，還采用了一種特殊的頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，使差分放大器的工作頻率接近零，使放大器的CMRR達(dá)到最大。另外，采用計算機(jī)輔助

3、系統(tǒng)自我校正，有效提高了測量的精度。2解調(diào)技術(shù)由于用于產(chǎn)生注入電流的激勵源的輸出和測量電極的接收端一般采用電容耦合，另外考慮導(dǎo)線間的分布電容影響，通過測量電極接收到的電壓和激勵源中振蕩器的輸出不同相。為去除由電容引起的寄生信號，可采用相敏檢波器。典型的相敏檢波器有相乘型和開關(guān)型兩種，相乘型檢波器的缺點(diǎn)為：乘法器的參數(shù)隨溫度或器件老化漂移較大；而開關(guān)型檢波器的缺點(diǎn)為存在過零交越的問題。另外，這類解調(diào)器輸出端均需配有濾波器，濾波器的存在會影響輸出信號的建立時間，這往往給實時數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)帶來了障礙。圖2—1中，輸入ui（t）為調(diào)幅波，同步信號u

4、c（t）為幅值為1并和載波信號同頻的周期方波。可以證明，當(dāng)ui（t）＝Uimcosωt時，解調(diào)器的輸出為：式中θ為同步信號和ui(t)中載波信號之間的相位差。同樣可證明：乘法器輸出端信號的傅氏級數(shù)展開式為：由式（2—2）可見，uo（t）中的二次諧波分量的幅值為直流分量的66％，故在乘法器后必須加低通濾波器。3使用采樣保持電路的同步解調(diào)理論假設(shè)作用信號為Acosωt，它對應(yīng)于激勵源振蕩器的輸出電壓，則被測信號為：式中：B為所需測量的幅值，它對應(yīng)于信號的實部；C是寄生信號的幅值，它是由激勵源輸出和測量電極等處的電容所引起的；D是實際接收到信號

5、的幅值；為作用信號和寄生信號之間的相位差；θ為激勵信號和接收信號之間的相位差。下面說明使用采樣保持電路的同步解調(diào)技術(shù)的基本思路。若對u（t）信號在t＝0時刻進(jìn)行采樣（即對應(yīng)于作用信號的峰值處），則采用保持電路的輸出為uo＝B＋Ccos?。紻cosθ。Ccos　對測量結(jié)果而言是一個誤差值。但是，由于Ccos（ωt＋　）項是作用電流經(jīng)寄生電容所引起的，所以?。?0°，即Ccos?。?，因此采用保持電路的輸出就是所需要求的值B，即：uo＝B＝Dcosθ（3—2）很明顯，式（3—2）和式（2—1）是一致的，不同之處在于式（2—1）多了系數(shù)2／π，

6、若用平均值來代替峰值，就可引入該系數(shù)。圖3—1為上述解調(diào)方法的圖示說明，在圖3—1中接收波形（1）分解為兩個正交波形；波形（2）為實部；波形（3）為虛部。4測量電路結(jié)構(gòu)在實際電路中，為使激勵信號由數(shù)字式正弦波發(fā)生器產(chǎn)生，數(shù)字式正弦波發(fā)生器的基本工作原理為：用一個可編程只讀存儲器（EPROM）存放離散正弦波數(shù)據(jù)，由加法計數(shù)器產(chǎn)生地址掃描信號，E－PROM輸出經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），產(chǎn)生正弦波。用數(shù)字式載波發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是：可通過對EPROM地址總線的譯碼，產(chǎn)生解調(diào)所需要的兩個窄脈沖串。一個對應(yīng)于正弦波的峰值，以此激勵采樣保持電路，可獲得接收信

7、號的實部；另一個對應(yīng)于正弦波的負(fù)向過零點(diǎn)，以此激勵采樣保持電路，可獲得接收信號的虛部。當(dāng)然，要使正弦波電壓變?yōu)榧铍娏鳎仨毥?jīng)過電壓—電流轉(zhuǎn)換，可選用高質(zhì)量的集成運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。為設(shè)計帶采樣保持電路的差分式同步解調(diào)器，可采用多種結(jié)構(gòu)：1）可以在工作頻率上對兩個不同位置的測量電極所接收到的信號先進(jìn)行減運(yùn)算，然后利用采樣保持電路解調(diào)這個很弱的差值信號，其電路結(jié)構(gòu)如圖4—1a所示。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是解調(diào)電路前端的差分放大器須工作在25～30kHz的頻率上，由于差分放大器的CMRR在低頻時為最大，這會影響信號相減的質(zhì)量。2）要提高解調(diào)電路的CM－R

8、R，可采用圖4—1b所示的結(jié)構(gòu)，即首先解調(diào)兩個正弦波，然后進(jìn)行相減，這樣完成相減功能的差分放大器就幾乎工作在直流上了。這是因為當(dāng)兩個測量電極之間的相互位置和內(nèi)部電傳導(dǎo)率不發(fā)生變化時，輸出為恒壓