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

Posted 2021-06-03 遗忘丶

文章目录

• 前言
• 一、问题引入
• 二、问题重现
• 三、问题分析

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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，发现一个现象，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。

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，且截止频率扩大为原来的十倍，也仅仅是15.9Hz，不影响信号的交流成分，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。