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实验:线性检波与平方率检波及滤波电容

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发表于 2010-4-7 09:44:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
很多资料上都介绍二极管在大信号时是线性检波,被检波的信号电压的幅度应充分大于二极管的阀值电压,有些资料上甚至给出了这材料二极管线性检波所需的信号幅度要大于等于0.5V。而小信号的检波则是平方率检波,其信号电压应小于或等于二极管的阀值电压。
这两天做了线性检波和平方率检波的实验,所用仪表:
高频信号发生器:目黑MSG2560B   串号849007。
超高频毫伏表:  HFJ-8  串号  169
音频毫伏表:    LEADER  LMV-189AR  串号 9080128
实验用的二极管是从现有的二极管里任意抽取了一只BAT85。
高频信号频率: 1MHz
音频信号频率: 1000Hz
音频负载电阻:  47K

实验电路如下:
IMG_2794.JPG   

高频信号频率1MHz,调幅度 30%
IMG_2780.JPG

被测二极管:
IMG_2783.JPG

检波前的调幅信号波形:
IMG_2786.JPG

线性检波:信号幅度0.5V
IMG_2792.JPG

线性检波后未加滤波电容前负载电阻两端的波形(波形负半周被切割得很干净):
IMG_2791.JPG

线性检波后负载电阻上并联了2200P滤波电容后的波形(看不出失真):
IMG_2793.JPG

平方率检波:信号幅度96mV左右
IMG_2781.JPG

平方率检波后未加滤波电容前负载电阻两端的波形(负半包络线幅度小了,但未被切掉):
IMG_2782.JPG

平方率检波后负载电阻上并联了2200P滤波电容后的波形(波形明显失真):
IMG_2789.JPG

从实验的波形上可以看出:
  1.只有线性检波时波形的另半周才是被完整地切掉了。
  2.二极管是可以在其阀值以下检波的。
  3.从平方率检波后未经电容滤波的波形上可以清楚地看到:波形的另半周不是被整齐地切掉了,而仅是发生了一定程度的压缩,也就是说平方率检波使信号的正负半周发生了不对称的变形。
  4.从线性检波后经滤波得到的音频波形看,检波后的信号波形很好,几乎看不出失真。
  5.从平方率检波后经滤波得到的音频波形看,检波后的信号波形并不是很好,可以看出明显的失真。

    从上述的实验中可知线性检波与平方率检波的区别还是很大的,在平方率检波的输出信号中,本应该被去掉的半周并没有去掉,它只是被压缩变形了而已,而信号被压缩后正负半周不再对称了,其在一个周期内的平均值就不等于零了,正负半周就不能完全抵消了,在发生这种抵消时信号就有了剩余的部分,这就是检波后输出的音频信号,而且这种不对称变形越严重需要被抵消的部分就越小,抵消后的剩余部分就越多,检波效率就越高,与之相反,如果这种不对称变形越轻、越不严重,则需要低消的部分就越大,抵消后的剩余部分就越小,检波后的输出信号就越小,检波效率就越低,最极端的情况就是没有发生变形,正负半周完全抵消,检波器没有输出,检波效率为零,这刚好就是调幅的高频信号未经检波而直接滤波的情况。从这种意义上讲,线性检波的另半周被完全切掉也可以看成是被检波信号正负半周发生不对称变形的一种特殊情况,即最彻底的变形,几乎不存在要被抵消的部分,故线性检波的效率远高于平方率检波。

    音频负载上并联的滤波电容从其工作的物理意义上讲,这只电容就是为检波后的信号提供了正负半周发生抵消的场地,由于信号的正负半周是不对称的,电容充电量和放电量不等,电容在检波后的信号对其充放电后两端总有抵消不掉的固定方向的电压,这个电压是单方向的,但其是随着调幅信号的包络线的高低而变化的,这就形成了检波后的音频电压,可见滤波电容在检波后恢复音频信号中也起到了重要的作用,尽管我们有时可以发现不用这只电容矿机还可以有声音,但这并不能证明这只电容没有作用,实际上这时是耳机以及耳机线的分布电容在起作用。

    从上述线性检波和平方率检波的性质我们还可以知道,由于线性检波需要大信号,因此除非在很强的信号下矿机的检波器才可能进入到线性检波的状态,才可能都得到线性检波的两个优点:高检波效率和低失真。因此矿机有一副优良的天地线和低损耗的调谐回路是多么重要!而对于弱信号的接收,除了要有优良的天地线和调谐回路外,要格外关注二极管使信号发生不对称变形的能力,只有那些能够使信号发生不对称变形能力强的二极管检波效率才高。在弱信号的平方率检波的情况下就别指望有好音质了,明显的失真是伴随检波而来的。这时的检波效率才是最重要的。

    在有些资料里把检波后含有残存半周的波形说成是平方率检波的标志性波形,由于处在平方率检波时信号幅度已经是很小了,检波后的保留部分幅度就与残留部分有了可比性,为此我做了一个简单的估算:假设检波二极管的结电容是1pF容量的,这个容量在1MHz频点上的容抗=1/(2πfC),大约是160K左右,再加上二极管的反向漏电流,管子的等效漏电阻还要比160K小一些,此时如果负载电阻是47K,则反向分压比是47/(160+47)=0.23=23%,也就是说二极管反向时负半周信号的23%都通过二级管降到了音频负载上,这还仅仅是二极管的分布电容是1pF的情况,对于中波的检波二极管有大于1pF的结电容是很平常的事了,我查了一下,这次试验用的BAT85二极管的结电容实是10pF,所以在实验中测到了如此大的残余半周也就不足为奇了。


   以上的实验、想法不一定都对,欢迎各位兄弟讨论指正。

[ 本帖最后由 lq19512003 于 2010-4-7 11:10 编辑 ]

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相关帖子

发表于 2010-4-7 10:45:02 | 显示全部楼层
这个试验,不错,可供大家学习。
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发表于 2010-4-7 11:07:17 | 显示全部楼层

回复 1# lq19512003 的帖子

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发表于 2010-4-7 11:19:23 | 显示全部楼层
重要实验,收藏之
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发表于 2010-4-7 11:29:39 | 显示全部楼层
这样的实验可以帮助我们对检波机理加深理解。
   我觉得:小信号时的信号压缩而不是完全消去半个载波,是因为在零点附近,二极管的非线性不明显,这时候反向特性与正向特性的切线斜率非常接近。
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发表于 2010-4-7 12:13:38 | 显示全部楼层
想问三个问题:
1、线性区与平方律区大致上如何界定?
2、Bat85带47K负载,在多大的电压(或电流)下处于平方律区?
3、平方律检波,是指调幅波的什么东西落在平方律区上?包络线?工作点?还是其它?
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发表于 2010-4-7 12:23:15 | 显示全部楼层
我最想弄清楚的是第3个问题:平方律检波,是指调幅波的什么东西落在平方律区上?包络线?工作点?还是其它?

谈平方律检波文章已经不少,但把这些问题落到实处的却难得一见。如果不满足于泛泛之谈的朦胧状态,这些问题是应该解决的时候了。

[ 本帖最后由 龙虾 于 2010-4-7 12:25 编辑 ]
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发表于 2010-4-7 14:10:55 | 显示全部楼层
二极管检测器的传递函数可以划分为不同的两个区域,即所谓的“平方律区”和“线性区”。平方律区适应于非常小的输入信号,在这个区域所检测的输出电压正比于输入信号电压的平方。对于更大的输入信号,检测器则随输入信号电压线性地变化。
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发表于 2010-4-7 14:35:33 | 显示全部楼层

图解

关于检波区域的划分,个人以为从二极管特性曲线上看比较容易区分。我以为应当分成三个区域。
   在蓝线左边的部分,是二极管几乎不导通或者说微导通区域,这部分的特点是二极管的正反向电阻相差不大,二极管的非线性不明显,正向和反向特性的切线斜率比较接近。正因为如此,所以在小电压情况下,不是削去半个载波,而是出现压缩半个载波的情况(检波必须是非线性元件)。
   在蓝线和绿线之间的区域,也就是二极管开始导通到完全导通之间特性最弯曲的部分,这里就是平方律检波区域,从特性曲线上看,输入信号与输出信号的关系近似于平方关系曲线。
    在绿线的右边,二极管进入线性检波区域。
    图画得不很标准,但大体就是这个意思。
    个人见解,未必正确,欢迎指正。

[ 本帖最后由 60年代的爱好者 于 2010-4-7 14:40 编辑 ]
01.JPG
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发表于 2010-4-7 14:50:24 | 显示全部楼层

回复 9# 60年代的爱好者 的帖子

那只是图形Y轴缩放(示波器Y轴增益)引起的错觉。PN结的伏安特性是一条指数曲线,按二阶导数计算,哪里都是一样弯。

把它压扁,线性区又弯成“平方律区”了
123.jpg

把它拉长,“平方律区”又变成线性区了
124.jpg
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发表于 2010-4-7 15:08:23 | 显示全部楼层
学习,学习,很好的话题。
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发表于 2010-4-7 15:37:26 | 显示全部楼层
原帖由 龙虾 于 2010-4-7 14:50 发表
那只是图形Y轴缩放(示波器Y轴增益)引起的错觉。PN结的伏安特性是一条指数曲线,按二阶导数计算,哪里都是一样弯。

把它压扁,线性区又弯成“平方律区”了
459052

把它拉长,“平方律区”又变成线性区了
45 ...


曲线的切线斜率肯定是不一样的,这个与图形的拉长压扁无关。
在原点附近,正反向特性曲线的斜率比较接近,也就是比较“线性”的元件,随逐渐离开原点,斜率逐渐增大,二极管正反向电阻差别变大,非线性特性趋向明显。
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发表于 2010-4-7 15:58:55 | 显示全部楼层
楼主的调幅波的图形真好看。我的示波器上,看不到这样好的图形。我的示波器是绿杨的ST-16B型(晶体管),10M 的。信号发生器是XG-25(J2463)学生用的那种,调制音频固定为1000赫兹,调幅度也无法调整的。用这样的条幅信号加到示波器上,根本看不出是条幅信号。
只能说设备太差。
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发表于 2010-4-7 16:27:12 | 显示全部楼层
原帖由 60年代的爱好者 于 2010-4-7 15:37 发表


曲线的切线斜率肯定是不一样的,这个与图形的拉长压扁无关。
在原点附近,正反向特性曲线的斜率比较接近,也就是比较“线性”的元件,随逐渐离开原点,斜率逐渐增大,二极管正反向电阻差别变大,非线性特性趋向 ...

  没错!正向电压越高,斜率越大,反映弯曲度的二阶度数也越大。

玩过示波器就知道了,Y轴量程加大,拐弯点就越往右下移,拐得越起角。
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发表于 2010-4-7 16:56:23 | 显示全部楼层
非线性元件的使用都有一个确定工作点的问题,大家知道三极管在使用中是需要确定工作点的,其实二极管也一样。60年代爱好者画的图很好,他给出了二极管检波工作点在哪块儿区域。
姑且把二极管的正向特性认为是指数曲线(近似的),应该知道在一小块区域内是可以用多项式来近似模拟指数曲线的。那么在蓝色区域用二次曲线模拟就足够好了,这也就是我们常说的平方律工作区域。二极管在这个区域工作,主要是靠二次曲线的非线性进行检波工作,所以矿石机的失真是比较大的。如果更详细地讨论此问题,还是另开帖子为好。最后向楼主的辛勤工作致敬。
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