小信號(hào)幅度測(cè)量中的差分同步解調(diào)技術(shù)

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1、小信號(hào)幅度測(cè)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(wú)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(cè)量小信號(hào)幅度的電路，被測(cè)信號(hào)范圍為微伏級(jí)到幾毫伏。電路設(shè)計(jì)方法適用于將數(shù)?；旌闲驼也òl(fā)生器作為信號(hào)源的測(cè)量?jī)x器。文中主要討論兩方面問(wèn)題，對(duì)兩個(gè)正弦波信號(hào)之差的正確解調(diào)和測(cè)量中的共模信號(hào)校正。［關(guān)鍵詞］同步解調(diào)；采樣保持電路；幅度測(cè)量1引言測(cè)量人體某些部位的電傳導(dǎo)率，并通過(guò)成像，以幫助病情診斷，是當(dāng)前正在發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)［1］。常用的測(cè)量方法是：對(duì)人體注

2、入一個(gè)恒頻等幅電流，電流通過(guò)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(guò)測(cè)量電極對(duì)測(cè)量?jī)芍付ㄎ恢瞄g的電位差，就可求得阻抗分布情況。測(cè)量中，注入電流的頻率一般為20～30kHz，測(cè)量電極所感應(yīng)信號(hào)的范圍為幾十微伏到幾十毫伏，能接受的測(cè)量精度為0．1％。在一般測(cè)量中，容易引起誤差的因素有兩個(gè)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(lái)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(jì)算機(jī)輔助

3、系統(tǒng)自我校正，有效提高了測(cè)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(lì)源的輸出和測(cè)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(guò)測(cè)量電極接收到的電壓和激勵(lì)源中振蕩器的輸出不同相。為去除由電容引起的寄生信號(hào)，可采用相敏檢波器。典型的相敏檢波器有相乘型和開(kāi)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(kāi)關(guān)型檢波器的缺點(diǎn)為存在過(guò)零交越的問(wèn)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(huì)影響輸出信號(hào)的建立時(shí)間，這往往給實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)了障礙。圖2—1中，輸入ui（t）為調(diào)幅波，同步信號(hào)u

4、c（t）為幅值為1并和載波信號(hào)同頻的周期方波?？梢宰C明，當(dāng)ui（t）＝Uimcosωt時(shí)，解調(diào)器的輸出為：式中θ為同步信號(hào)和ui(t)中載波信號(hào)之間的相位差。同樣可證明：乘法器輸出端信號(hào)的傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi)式為：由式（2—2）可見(jiàn)，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(hào)為Acosωt，它對(duì)應(yīng)于激勵(lì)源振蕩器的輸出電壓，則被測(cè)信號(hào)為：式中：B為所需測(cè)量的幅值，它對(duì)應(yīng)于信號(hào)的實(shí)部；C是寄生信號(hào)的幅值，它是由激勵(lì)源輸出和測(cè)量電極等處的電容所引起的；D是實(shí)際接收到信號(hào)

5、的幅值；為作用信號(hào)和寄生信號(hào)之間的相位差；θ為激勵(lì)信號(hào)和接收信號(hào)之間的相位差。下面說(shuō)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(duì)u（t）信號(hào)在t＝0時(shí)刻進(jìn)行采樣（即對(duì)應(yīng)于作用信號(hào)的峰值處），則采用保持電路的輸出為uo＝B＋Ccos?。紻cosθ。Ccos　對(duì)測(cè)量結(jié)果而言是一個(gè)誤差值。但是，由于Ccos（ωt＋?。╉?xiàng)是作用電流經(jīng)寄生電容所引起的，所以　＝90°，即Ccos　＝0，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(lái)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(shuō)明，在圖3—1中接收波形（1）分解為兩個(gè)正交波形；波形（2）為實(shí)部；波形（3）為虛部。4測(cè)量電路結(jié)構(gòu)在實(shí)際電路中，為使激勵(lì)信號(hào)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(gè)可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM）存放離散正弦波數(shù)據(jù)，由加法計(jì)數(shù)器產(chǎn)生地址掃描信號(hào)，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(guò)對(duì)EPROM地址總線的譯碼，產(chǎn)生解調(diào)所需要的兩個(gè)窄脈沖串。一個(gè)對(duì)應(yīng)于正弦波的峰值，以此激勵(lì)采樣保持電路，可獲得接收信

7、號(hào)的實(shí)部；另一個(gè)對(duì)應(yīng)于正弦波的負(fù)向過(guò)零點(diǎn)，以此激勵(lì)采樣保持電路，可獲得接收信號(hào)的虛部。當(dāng)然，要使正弦波電壓變?yōu)榧?lì)電流，必須經(jīng)過(guò)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(jì)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(duì)兩個(gè)不同位置的測(cè)量電極所接收到的信號(hào)先進(jìn)行減運(yùn)算，然后利用采樣保持電路解調(diào)這個(gè)很弱的差值信號(hào)，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(shí)為最大，這會(huì)影響信號(hào)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(gè)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?yàn)楫?dāng)兩個(gè)測(cè)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(shí)，輸出為恒壓