用于检测调谐回路的鉴相器分析设计

摘要：鉴相器在调谐回路的检测中具有非常重要的作用。分析了二极管平衡鉴相器电路及其相应取样电路的工作原理。针对该电路的不足，提出了新的解决方案及元器件参数的设计方法。该方案以乘法器和低通滤波器为鉴相器的核心电路。实验结果表明，该方案能方便地调节取样信号的幅度，能精确地检测出失谐电路的失谐状态，并输出相应的电压信号。
关键词：鉴相器；调谐回路；乘法器；低通滤波器

0 引言
功率放大输出网络中的调谐回路是否处于准确的谐振状态，这对整个发射机的工作状态将有很大的影响，输出网络调谐不好，将严重影响整个机器的功率和效率。对于由电感L、电容C和电阻R串联而成的电路而言，回路调谐是指回路呈纯阻性，此时回路中任一点的电压与流过此点的电流同相位。鉴相器能将两个输入信号的相位差变化转化为输出电压的变化，可以实现鉴相的功能，因此可用鉴相器检测调谐回路是否调谐。鉴相器按其使用类型可分为数字鉴相器和模拟鉴相器，通常使用的二极管平衡鉴相器即属于模拟鉴相器，但此鉴相器在实际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滤波器为鉴相器核心的新的解决方案，有效解决了鉴相器的取样信号幅度不易控制问题和鉴相器的鉴相特性不高问题。

1 二极管平衡鉴相器的工作原理及取样电路
1．1 二极管平衡鉴相器的工作原理
二极管平衡鉴相器的原理如图1所示。其工作原理如下：两路电压信号V1和V2频率相同。由于信号V2在电路中的所处位置，使得加到二极管D1和D2中电压信号分别为V2+0．5V1和V2-0．5V1，V1和V2的相位差在0°～180°范围内有等于90°、大于90°和小于90°三种情况。当V1和V2的相位差为90°时，叠加到D1和D2中电压信号的模相等，电路输出电压差为0 V；当V1和V2的相位差大于和小于90°时，叠加到D1和D2中电压信号的模不相等，此时电路输出正的或负的电压差。其中，电压差的正负代表了调谐的方向，电压差的大小代表了调整的距离。

1．2 鉴相器的取样电路
由以上分析可知，从调谐回路中引出的两路电压信号的相位差必须成90°，这样才能保证鉴相器在调谐时的灵敏度最高。为从调谐回路引出两路电压信号，通常采用以下方法，如图2所示。

[p]
一路电压信号利用取样环加电阻负载取出，根据互感电动势原理、取样环绕线本身的电感大小以及负载电阻值大小，可以推导出负载电阻两端的电压与馈线电流同相位。具体分析如下：根据互感电动势原理，互感电动势e=jωMI，则取样环的互感电流为，其中ω为馈线电流的角频率；M为取样环的互感；J为馈线电流；I’为取样环感应电流；R为取样环的负载阻抗。因为R1，R2的值远小于取样环绕线本身的感抗，则U=，表明负载电阻两端的电压与馈线电流同相位；另一路电压信号利用电容电阻分压从馈线上直接取出，为使分压之后的电压信号与馈线电压相位成90°，必须使电容的容抗远大于电阻的阻抗，只有这样才能忽略发射机工作频率对相位的影响，但这严重影响了电压分压的效果。为了权衡90°与分压信号大小两者之间关系，电容和电阻分别取值为5 000 pF和35 Ω，可以忽略工作频率对相位的影响，使电阻分压信号与馈线电压信号成85°左右相位差，但电阻分压信号存在很大的噪声。
为改变这种情况，特将取样环的负载电阻换成了容值为0．32μF的电容，由此得到的电容两端电压与馈线电流的相位差成90°。具体分析如下：当发射机工作频率在20 kHz时，电容的容抗为24．9 Ω，远小于取样环绕线本身的感抗。由上文互感电动势原理分析可知，取样环流过电容的电流与馈线电流同相位。又因为电容两端电压与流过电容的电流相位差成90°，所以电容两端电压与馈线电流成90°相位差，并且不受发射机工作频率的影响。经现场实测，证明用这种方法取出的电压信号的波形干净，且与馈线电流信号成精确的90°相位差。
另一路信号直接用470 kΩ电阻和4．7 kΩ电阻将馈线高电压分压成小信号电压，因是电阻分压，所以分压电压与馈线电压同相位，如图3所示。

将这两路信号输入二极管平衡鉴相器，电阻分压信号存在严重噪声，波形几乎没有，这与二极管平衡鉴相器的输入阻抗太小有关。
1．3 二极管平衡鉴相器的不足之处
在实际使用中二极管平衡鉴相器存在如下两个主要问题：
(1)电阻R1，R2，二极管D1，D2要严格配对使用。
由于二极管平衡鉴相器是把相位的差值反映到输出的电压幅度上，若R1，R2不相等，二极管D1，D2有差异，电路即会失去平衡，造成鉴相误差，降低鉴相器的鉴相特性。
(2)对于两路取样信号要严格控制其取样幅度。
二极管PN结的特性决定了两路取样信号的幅值不能太小，其工作耐压值又决定了取样信号幅值不能太大，取样信号的幅度范围不易把握。

2 乘法器型鉴相器设计
鉴于二极管平衡鉴相器存在诸多不足之处，本文使用有源器件重新设计了鉴相器电路。采用四象限模拟乘法器和低通滤波器，可以实现鉴相功能，此处简称乘法器型鉴相器。乘法器电路部分与低通滤波器电路部分采用直接耦合方式，整个电路结构简单，如图4所示。

2．1 乘法器型鉴相器的原理分析
乘法器型鉴相器的工作原理简述如下：模拟乘法器的两个输入端分别加入信号v1=V1cos(ω0t+φ1)和v2=V2cos(ω0t+φ2)。模拟乘法器的输出电压为：

由式(1)可见，乘法器的输出是两输入信号的差频项与和频项，通过低通滤波器，滤除不需要的频率信号(2ω0t+φ1+φ2)，取出的电压信号为：

由式(2)可见，vo随两输入信号的相位差φ1-φ2的余弦变化。在附近，有较高的灵敏度，这一点与二极管平衡鉴相器相同，因此仍采用图3所示的信号取样电路。[p]
2．2 乘法器型鉴相器的主要器件的特点及参数设计
2．2．1 乘法器的特点
考虑到大功率高电压的特点，特选取输入电压范围为-10～10 V，输出电压范围为-11～11 V，带宽为1 MHz的乘法器AD633JN。AD633JN是一款功能完整的四象限模拟乘法器，包括高阻抗差分X和Y输入以及高阻抗求和输入Z。低阻抗输出电压为10 V标称满量程，由一个嵌入式齐纳二极管提供，高输入阻抗(10 MΩ)使得信号源负载可忽略不计，电源电压范围为-8～18 V。使用AD633JN时，无需外部器件或执行昂贵的用户校准，易于使用，性价比高。其输出W与两差分输入X，Y以及求和输入Z之间满足以下关系式：

在使用中，将AD633JN的X2脚、Y2脚和Z脚同时接信号地，X1脚和Y1脚分别接图3所示的两路取样信号。两路取样信号设定有明确的幅值范围，很容易进行幅度控制。由于AD633JN是高阻抗的差分输入，故从调谐回路取出的两路信号接入乘法器后，经现场实测，两路取样信号的波形不受影响且无噪声。
2．2．2 低通滤波器电路RC参数设计
滤波器电路采用的是二阶压控电压源低通滤波器，它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。
通过分析二阶低通滤波器电路传递函数的典型表达式可知，电路的通带增益A0≥3时，电路将自激振荡，只有当A03时电路才能稳定工作；并且当等效品质因数Q=0．707时，滤波器的幅频响应较平坦，因此本文将滤波器的通带电压增益设置为1．586倍，对应的电阻R1和反馈电阻Rf分别取值为2kΩ和1．2kΩ，低通滤波器的截止频率设定为800Hz。

3 实验结果
本文采用图3所示的取样电路采集鉴相器所需的两路信号，发射机工作频率为30 kHz，馈线电压约为650 V。用示波器的通道2监测电阻分压信号，用示波器的通道3监测取样环电容负载两端的电压信号，用示波器的通道4显示乘法器型鉴相器的输出，示波器的通道1显示利用电流波形变换器采集到的馈线电流信号。

[p]

由上文分析可知，通道1的波形应始终超前通道3的波形90°相位，如图5～图7所示；当电路呈感性，即馈线电压信号的相位超前馈线电流信号时，鉴相器输出直流电压负值，如图5所示；当电路谐振时，鉴相器输出为0 V，如图6所示；当电路呈容性，即馈线电压信号的相位滞后馈线电流信号时，鉴相器输出直流电压正值，如图7所示。乘法器型鉴相器输出结果见表1。

4 结语
本文设计的乘法器型鉴相器克服了二极管平衡鉴相器的鉴相性能低下，取样信号幅值范围难以确定等不足，鉴相器电路结构简单，电路工作稳定，鉴相性能良好，能准确地检测出发射机调谐回路是否处于调谐状态。当调谐回路失谐呈感性时，Vo0 V；当调谐回路谐振时，输出直流电压信号Vo=0 V；当调谐回路失谐呈容性时，Vo>0V。