开关检波电路设计论文范文

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1开关检波原理

1．1开关半波检波开关半波检波原理如图2所示，半波检波只保留待检信号幅值大于零的波形，半波检波等效于待检信号与参考方波信号相乘，下面对其原理进行介绍。开关半波检波输出为直流分量和高频分量，采用低通滤波器滤除高频分量，即可得到直流分量。

1．2开关全波检波开关全波检波将幅值大于零的半波保留，将幅值小于零的半波翻转上去。开关全波检波原理如图3所示。开关全波检波等效于与参考方波信号相乘，下面对其原理进行介绍。开关全波检波输出为直流分量和高频分量，需要低通滤波器滤除高频分量，得到直流分量。经过对半波检波和全波检波原理分析发现全波检波输出信号幅值是半波检波的2倍，全波检波比半波检波更适合检测弱信号，因此，本设计采用全波检波方法。

2检波电路设计

检波电路采用开关全波检波，模拟开关选择比较重要。本设计采用高速高精度模拟开关ADG333，ADG333具有功耗低;切换时间短，ton＜175ns，toff＜145ns;最大导通电阻45Ω;导通电阻差最大为5Ω;泄漏电流最大为5nA;电荷注入最大为5pC。全波检波电路需要两个运放，一个作为过零比较器，产生模拟开关控制信号;另一个将前级输出信号幅值小于零的波形翻转上去。本设计选用TI公司双运放芯片THS4032，THS4032带宽为100MHz，摆率为100V/μs，噪声为1．6nV/Hz。选THS4032的主要原因是摆率大，做过零比较器切换时间短。全波检波电路设计如图4所示。

3实验与结果分析

3．1检波电路测试采用AD9953和3458A八位半数字表测试检波电路分辨率。通过改变配置AD9953幅值寄存器(F)值，使输出信号幅值发生变化，采用3458A采集检波电路输出。通过测试发现全波检波电路分辨率达0．1mV。

3．2分辨率测试该系统设计的测量范围为150～650μm，经CST仿真得到的电容变化范围为0．146621～0．632366pF，分辨率为30nm，400μm处对应的ΔC=0．03423fF［9］。分辨率测试进行三组实验，分别在150，400，650μm处进行30nm台阶实验，观察输出电压是否为方波，三组实验结果见图6所示。由图5可得，三组实验结果都能实现30nm分辨率，主要问题是噪声电压导致电压在一定范围内波动。由上图可以看出:随着极板间距增大，变化30nm引起的电压变化减小，与电容位移曲线相符。噪声电压大约0．1mV，噪声来源主要有PCB布线噪声、运放噪声、电阻热噪声。

3．3示值稳定性测试该实验在超净间进行，温度为(22±0．1)℃。在400μm处进行示值稳定性实验，采用8位半数字表3456A，间隔2min测一次，测量16次，测试结果如表1所示。由表1可得，30min内示值稳定性为0．1mV，换算成位移漂移量大概为8nm。因此，测量系统在400μm时，30min内位移漂移为8nm。由于闭环驱动器采用压电陶瓷来驱动平台位移变化，压电陶瓷存在一定的蠕变和迟滞，其驱动电源输出电压存在波动，这些因素都会引起位移漂移，因此，实际位移漂移小于8nm。对其他位置做相同测试，位移时漂均小于8nm/30min。示值稳定性较高，满足系统稳定性高的要求。

3．4测量电路用于位移测量的对比实验将该测量电路与德国PI公司的标准测量电路进行比对实验，结果如表2，采用相同的电容传感器D—E30．200单极板电容位移传感器。由测量结果可知，利用设计的电容测量系统与PI测量电路进行对比实验，设计系统的最大测量偏差为20nm。

4结论

根据调幅式电容位移传感器乘法器检波速度慢和长时间工作热噪声大的问题，提出了一种开关检波电路设计方案，并介绍了开关全波检波和半波检波原理。测试结果表明:该设计能实现0．1mV分辨率，该测量系统22℃下漂移不超过8nm，150～650μm量程范围内，与PI标准测量电路最大偏差为20nm。该测量电路满足测量超精密位移测量要求。

作者：冯佳李佩玥徐立松尹志生隋永新单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室中国科学院大学