-移相器与相敏检波器实验报告

【实验目的】

1. 理解移相器和相敏检波器的工作原理。 2. 学习传感器实验仪和交流毫伏表的使用。 3. 学习用双踪示波器测量相移的方法。 【实验原理】

1. 移相器的工作原理

移相器是由电阻、电抗元件、非线性元件和有源器件等构成的一种电路，当正弦信号经过移相器时其相位会发生改变。理想的移相器在调整电路参数时，可使通过信号的相位在

0~360之间连续变化，而不改变信号的幅度，即信号可不失真地通过，只是相位发生了

变化，图1为移相器的工作原理，其中相角为经过移相器所获得的。

uiUsint uoUsin(t) 移相器 图1 移相器工作原理 2. 相敏检波器的工作原理

相敏检波器是一种根据信号的相位来提取有用信号的处理电路，在外部同频控制信号作用下，用控制信号来截取输入信号，相敏检波器输出的直流分量为反映输入信号与控制信号相位差的直流电压，经低通滤波器LPF滤除高频分量后得 到直流输出信号E；相敏检波器的组成框图见图2。 控制信号u' 输入信号u 输出信号E 相敏检波器 低通滤波器LPF 图2 相敏检波器的组成框图 T10t2 设控制信号表达式为： u'T0tT2设输入信号为：uUsin(t)，输入信号与控制信号在时域中的关系见图3。

u t0 0 t u' 1 0 T/2 T t 图3 输入信号u与控制信号u' 用控制信号截取输入信号后得到：u0uu'，对u0积分并在一个周期内取平均得： 1T/2UEUsin(t)dtT0TT/20T/2sin(t)d(t)T[cos(t)]0

UUUU[cos()cos][coscossinsincos]cos22

①

由式①可以看出，相敏检波器经低通滤波器输出一个反映输入信号相位差的直流电压，当0时，即输入信号与控制信号同相时E交时，E0。

利用相敏检波器可以消除信号中干扰噪声的影响。设输入信号中包含有噪声信号un和有用信号us，即：uusun，则：u0uucucusucun，对u0积分并在一个周期内1T1T取平均得：EucUssin(ts)dtucUnsin(tn)dt

T0T01U，当90，即输入信号与控制信号正

[Uscos(sc)Uncos(nc)]

通过移相器调节控制信号uc的相位，使噪声信号与控制信号相差90°相角，此时：

nc90，则：EUscos(sc)，即相敏检波器的输出仅含有有用信号us分量，

噪声信号被剔除。因此，相敏检波器广泛用于通信领域和无损检测领域等用于有用信号的甄别。

【实验仪器和装置】

传感器实验仪、双踪示波器、交流毫伏表。 【实验内容】

接通传感器实验仪、双踪示波器和交流毫伏表电源，预热10分钟。 1. 移相器相移量的测量：

在传感器实验仪上找到音频振荡器、移相器模块，将音频振荡器的输出端0接到移相器的输入端，地线用导线连接。双踪示波器的CH1、CH2选定AC输入，探头衰减比1：1， 触发源模式MODE拨到“DAUL”，显示方式ALT/CHOP置“ALT”。CH1接音频振荡器输出端，CH2接移相器输出端。交流毫伏表的L.CH接音频振荡器输出端，R.CH接移相器输出端。

调整音频振荡器的频率旋钮，用示波器观察振荡波形的周期为200us，此时输出频率为5KHz；调整音频振荡器的输出幅度旋钮至输出幅度为5V（用交流毫伏表测量，注意：红表笔接测量端，黑表笔接地，根据信号幅度合理选择量程）。保持音频振荡器输出信号幅度5V有效值不变，调整移相器移相旋钮，在示波器屏幕上观察CH1、CH2通道信号之间的相位变化。调整扫描速率“TIME/DIV”和水平位移旋钮“POSITION”，使得CH1音频振荡器波型的过零点处于示波器屏幕某一条垂直分度线上，则CH2移相器输出信号波型的过零点相对于CH1在时间轴上的分度差DIV即代表两通道信号之间的相位差，通过分度差可计算出时间偏差：TDIV(TIME/DIV)，注意观察CH2波形相对于CH1波形是超前还是滞后，如果CH2超前CH1，则T为正值，如果CH2滞后CH1，则T为负值，根据

T可计算出相移量：T360。 T2. 移相器输出幅度与相移量关系的测量：

保持音频振荡器输出信号幅度V0=5V有效值不变，输出频率为f=5KHz，调整示波器扫描速率“TIME/DIV”为10us，调整移相器移相旋钮使得T分别为24us、16us、8us、0us、-8us、-16us、-24us、-32us、-40us、-48us、-56us、-64us时测量移相器输出信号的幅度

Vd，记录入表1，计算出相移量理想相移范围。

3. 相敏检波器实验：

T360，在直角坐标系上画出Vd曲线,确定Ta）在传感器实验仪上找到音频振荡器、移相器、相敏检波器模块和直流电压表，按图4接线。将音频振荡器的输出端0接到移相器的输入端，地线用导线连接，移相器输出接相敏检波器的输入端，音频振荡器的输出端0接相敏检波器的控制端，相敏检波器的输出端接直流电压表正输入端（用直流电压表代替低通滤波器LPF），直流电压表选择20V档。双踪示波器的CH1、CH2选定AC输入，探头衰减比为1：1，触发源模式MODE拨到“DAUL”，

显示方式ALT/CHOP置“ALT”。CH1接音频振荡器输出端，CH2接移相器输出端。保持音

频振荡器输出信号幅度5V有效值不变，输出频率为5KHz，调整示波器扫描速率“TIME/DIV”

移相器为10us，调整移相器移相旋钮使得T分别为24us、20 us 、16 us、12 us 、8 us、

4 us 、 0 us、-4 us 、-8 us、-12 us 、-16 us、-20 us 、-24 us、-28 us 、-32 us、-36 us 、 -40 us、-44 us 、-48 us、-52 us 、-56 us、-60 us 、-64 us时记录直流电压表的测量数据E，记录入表2，计算出相移量T360，在直角坐标纸上画出TE曲线。

控制信号 1 音频振荡器 移相 相敏检波器 直流电压表 2 图4 相敏检波器实验装置连接图 'b）根据式①计算相敏检波器输出直流分量：EkUcos22Vocos（k=2，k

为放大系数），记入表2并在直角坐标系上画出E曲线。 【数据记录与数据处理】

示波器扫描速率TIME/DIV= 200 us，振荡频率f= 5 KHz，振荡器幅度 V0 = 5 V

表1 移相器输出幅度与相移量关系的测量

T/us T/us 'T360T/ 移相器输出幅度Vd/V 24 16 8 0 -8 200 43.2 28.8 14.4 0 -14.4 4.9 4.8 4.8 4.8 4.9 表1（续） 移相器输出幅度与相移量关系的测量

T/us T/us T360T/ 移相器输出幅度Vd/V -16 -24 -32 -40 -48 -56 -64 200 -28.8 -43.2 -57.6 -72 -86.4 -100.8 -115.2 5.0 5.0 4.9 4.9 5.0 4.9 4.9

下图为查阅到的参考线。

曲线分析：从图中可以看出，角度在-120到-90时，直流电压几乎不变，角度小于-90电压突然增大，然后保持不变（这里因为实验精度问题不能体现）。当角度为正值时，电压随着角度的增大迅速减小，但有一个电压在角度增大时也有迅速增大的趋势，由于测量数据较少，

没有发现之后的规律。

表6-2 相敏检波器实验数据

T/us T/us T360T/ 电压表读数E/V 检波器输出值E'/V 24 20 16 12 8 4 0 -4 -8 -12 -16 -20 -24 -28 -32 -36 -40 -44 -48 -52 -56 -60 -64 200 43.2 36 28.8 21.6 14.4 7.2 0 -7.2 -14.4 -21.6 -28.8 -36 -43.2 -50.4 -57.6 -64.8 -72 -79.2 -86.4 -93.6 -100.8 -108 -115.2 -2.6 -2.45 -2.05 -1.77 -1.29 -1.15 -0.77 -0.19 -0.16 0.35 1.19 1.26 1.75 2.31 2.75 3.05 3.44 3.78 4.19 4.26 4.41 4.37 4.29 3.1 3.4 3 3.3 3.1 3.6 3.7 3.7 3.8 3.6 3.6 3.8 3.6 3.3 3.5 3.1 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 2.5 2.3 其中：E是直流电压表测量数据，单位：V，e是相敏检波器输出的直流分量计算值, 单位：V。

下图为查阅到的参考线。

曲线分析：实验中当角度大于-100度时，随角度增加电压以平滑曲线形式减小；当角度小于-100，随角度减小电压逐渐增大。总体形状与正弦曲线相似，我想，如果测得数据足够多，其变化规律就是正弦曲线，且具有周期性。参考线中当角度大于-90度时，随角度增加电压以平滑曲线形式增大；当角度小于-90，随角度减小电压逐渐增大。当角度大于0时，随着角度的增大，电压逐渐减小。总体形状与正弦曲线相似，我想，如果测得数据足够多，其变化规律就是正弦曲线，且具有周期性。

【思考题】

1. 如果已知移相器是非理想的，但知道Vd的函数关系，能否将其用于相敏检

波？为什么？

答：移相器是由电阻、电抗元件、非线性元件和有源器件等构成的一种电路，当正弦信号经过移相器时其相位会发生改变。理想的移相器在调整电路参数时，可使通过信号的相位在0~360之间连续变化，而不改变信号的幅度，即信号可不失真地通过，只是相位发生了变化。如果已知移相器是非理想的，但知道Vd的函数关系，仍可用于相敏检波。用Vd的函数关系对移相器进行相应的调整即可、

2. 试举出已知常见的移相器例子（非理想也可），画出相应电路图。

答：大功率宽带数字移相器，变压器移相器，高功率双工旋转场移相器，三相综合移相器等。