開關(guān)檢波電路設(shè)計(jì)論文范文
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1．1開關(guān)半波檢波開關(guān)半波檢波原理如圖2所示，半波檢波只保留待檢信號幅值大于零的波形，半波檢波等效于待檢信號與參考方波信號相乘，下面對其原理進(jìn)行介紹。開關(guān)半波檢波輸出為直流分量和高頻分量，采用低通濾波器濾除高頻分量，即可得到直流分量。
1．2開關(guān)全波檢波開關(guān)全波檢波將幅值大于零的半波保留，將幅值小于零的半波翻轉(zhuǎn)上去。開關(guān)全波檢波原理如圖3所示。開關(guān)全波檢波等效于與參考方波信號相乘，下面對其原理進(jìn)行介紹。開關(guān)全波檢波輸出為直流分量和高頻分量，需要低通濾波器濾除高頻分量，得到直流分量。經(jīng)過對半波檢波和全波檢波原理分析發(fā)現(xiàn)全波檢波輸出信號幅值是半波檢波的2倍，全波檢波比半波檢波更適合檢測弱信號，因此，本設(shè)計(jì)采用全波檢波方法。
檢波電路采用開關(guān)全波檢波，模擬開關(guān)選擇比較重要。本設(shè)計(jì)采用高速高精度模擬開關(guān)ADG333，ADG333具有功耗低;切換時(shí)間短，ton＜175ns，toff＜145ns;最大導(dǎo)通電阻45Ω;導(dǎo)通電阻差最大為5Ω;泄漏電流最大為5nA;電荷注入最大為5pC。全波檢波電路需要兩個(gè)運(yùn)放，一個(gè)作為過零比較器，產(chǎn)生模擬開關(guān)控制信號;另一個(gè)將前級輸出信號幅值小于零的波形翻轉(zhuǎn)上去。本設(shè)計(jì)選用TI公司雙運(yùn)放芯片THS4032，THS4032帶寬為100MHz，擺率為100V/μs，噪聲為1．6nV/Hz。選THS4032的主要原因是擺率大，做過零比較器切換時(shí)間短。全波檢波電路設(shè)計(jì)如圖4所示。
3實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
3．1檢波電路測試采用AD9953和3458A八位半數(shù)字表測試檢波電路分辨率。通過改變配置AD9953幅值寄存器(F)值，使輸出信號幅值發(fā)生變化，采用3458A采集檢波電路輸出。通過測試發(fā)現(xiàn)全波檢波電路分辨率達(dá)0．1mV。
3．2分辨率測試該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測量范圍為150～650μm，經(jīng)CST仿真得到的電容變化范圍為0．146621～0．632366pF，分辨率為30nm，400μm處對應(yīng)的ΔC=0．03423fF［9］。分辨率測試進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，分別在150，400，650μm處進(jìn)行30nm臺(tái)階實(shí)驗(yàn)，觀察輸出電壓是否為方波，三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6所示。由圖5可得，三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果都能實(shí)現(xiàn)30nm分辨率，主要問題是噪聲電壓導(dǎo)致電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。由上圖可以看出:隨著極板間距增大，變化30nm引起的電壓變化減小，與電容位移曲線相符。噪聲電壓大約0．1mV，噪聲來源主要有PCB布線噪聲、運(yùn)放噪聲、電阻熱噪聲。
3．3示值穩(wěn)定性測試該實(shí)驗(yàn)在超凈間進(jìn)行，溫度為(22±0．1)℃。在400μm處進(jìn)行示值穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，采用8位半數(shù)字表3456A，間隔2min測一次，測量16次，測試結(jié)果如表1所示。由表1可得，30min內(nèi)示值穩(wěn)定性為0．1mV，換算成位移漂移量大概為8nm。因此，測量系統(tǒng)在400μm時(shí)，30min內(nèi)位移漂移為8nm。由于閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器采用壓電陶瓷來驅(qū)動(dòng)平臺(tái)位移變化，壓電陶瓷存在一定的蠕變和遲滯，其驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓存在波動(dòng)，這些因素都會(huì)引起位移漂移，因此，實(shí)際位移漂移小于8nm。對其他位置做相同測試，位移時(shí)漂均小于8nm/30min。示值穩(wěn)定性較高，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性高的要求。
3．4測量電路用于位移測量的對比實(shí)驗(yàn)將該測量電路與德國PI公司的標(biāo)準(zhǔn)測量電路進(jìn)行比對實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2，采用相同的電容傳感器D—E30．200單極板電容位移傳感器。由測量結(jié)果可知，利用設(shè)計(jì)的電容測量系統(tǒng)與PI測量電路進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最大測量偏差為20nm。
4結(jié)論
根據(jù)調(diào)幅式電容位移傳感器乘法器檢波速度慢和長時(shí)間工作熱噪聲大的問題，提出了一種開關(guān)檢波電路設(shè)計(jì)方案，并介紹了開關(guān)全波檢波和半波檢波原理。測試結(jié)果表明:該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)0．1mV分辨率，該測量系統(tǒng)22℃下漂移不超過8nm，150～650μm量程范圍內(nèi)，與PI標(biāo)準(zhǔn)測量電路最大偏差為20nm。該測量電路滿足測量超精密位移測量要求。
作者：馮佳李佩玥徐立松尹志生隋永新單位：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院大學(xué)
