隔直网络(无源RC高通滤波)中电容充放电时间对信号处理及测量(以检波为例)的影响分析

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前言

今天在做19年国赛题《简易电路特性测试仪》的时候,发现一个的象,就是交流信号经隔直网络后,再进行检波时,检波输出的直流电压上升的很慢,即转换速率很慢。

一、问题引入

为了测量待测的三极管共射放大电路(以下简称为“待测电路”)的幅频特性,需要测量不同频率点上的输出幅度,故采用检波模块,将其输出信号转换为直流信号送入单片机采集处理。

测量幅度时,只需要原信号的交流部分,故需加入隔直网络滤除待测电路输出的直流信号。

这里采用一阶无源RC高通滤波,电容取值为0.1uF,电阻取值为1MΩ,截止频率理论上为1.59Hz。实测也发现,此隔直网络能完美滤除直流而不影响原有信号的交流成分。
隔直网络(无源RC高通滤波)中电容充放电时间对信号处理及测量(以检波为例)的影响分析

二、问题重现

检波模块的原理,是将输入的交流信号有效值转换为直流,即信号源输入1Vrms(2.828Vpp)的正弦波时,输出为1V的直流。

单独测试检波模块,输入频率1kHz,幅度2.828Vpp的正弦信号,用万用表直流档测试模块输出直流信号大小,结果理想,转换速率很快,0V瞬间变为1V,肉眼看不出变换过程。

但将检波模块接入隔直网络之后,却发现速率明显变慢。输入频率1kHz、幅度2.828Vpp,直流偏置6V的正弦信号。0V一开始变成0.7V左右,再慢慢上升到1V。整个过程大概维持了近1秒的时间。

三、问题分析

电容器的充电时间常数,是电容的端电压达到最大值的0.63倍时所需要的时间,通常认为时间达到3~5倍的充电时间常数后就认为充满了。

充电时间常数的大小与电路的电阻有关,按照下式计算:t=RC,其中R是电阻;C是电容。

那么对于此隔直网络,R=106Ω,C=100*10-9=10-7F,t=RC=0.1s,那么充电时间就大概有0.3s~0.5s。

那么问题到这里,结论就显然了。电容的充放电时间不能光看电容本身的大小,还与电路的电阻有关。

对于这里的隔直网络,电阻达到106数量级,单看电容是100nF,看起来好像很小,但与电阻大小相乘之后导致电容充放电时间无法忽视。于是将电容改为10nF,充电时间就变成0.03s~0.05s,足够小,实测也发现结果很理想。

这个问题在设计隔直网络的时候尤为常见,因为隔直网络常常取用较大的电阻值,导致RC相乘之后的时间常数较大。以后做电路需要重视这一问题。

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