用于检测调谐回路的鉴相器分析设计

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。
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。

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。