一種處理信號(hào)相位誤差電路的設(shè)計(jì)

雷建平

（渭南師范學(xué)院 陜西 渭南 714000）

相位控制，在很多電子設(shè)備的控制系統(tǒng)中會(huì)被經(jīng)常使用。信號(hào)相位誤差處理電路的主要功能是把系統(tǒng)所產(chǎn)生的正弦波與一個(gè)用來(lái)比較的正弦波對(duì)與相位功能進(jìn)行比較，比較后輸出與相位差成一定關(guān)系的直流信號(hào)，系統(tǒng)被該直流信號(hào)所控制，將系統(tǒng)的相位進(jìn)行校正，相位控制技術(shù)對(duì)于設(shè)備系統(tǒng)正常工作起著十分重要的作用。這里以一種用模擬電路設(shè)計(jì)的方法，結(jié)合工程上的厚膜工藝，結(jié)構(gòu)上采用全金屬密閉的方式封裝，使用了細(xì)線鍵合工藝，整體的輸出電壓精度高、溫度特性好[1]。

1 項(xiàng)目方案

1.1 電路方案

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源被用來(lái)模擬系統(tǒng)輸入端的信號(hào)，為頻率是2 000Hz，幅值為5V（有效值）的正弦波信號(hào)作為比較信號(hào)，將該信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理做為輸入信號(hào)VIN+和VIN-，兩路輸出為 OUT1、OUT2，用1 kΩ電阻做負(fù)載。

圖1 電路方案Fig．1 Scheme of circuit design

1.2 原理框圖

圖2 原理框圖Fig．2 Diagram of principle block

下面是單路的放大器的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1.2.1 信號(hào)放大部分

圖3 信號(hào)放大電路Fig．3 Circuit of signal amplifier

該電路可接為同相放大器和反相放大器，如果輸入信號(hào)為 u1=U sin（ωt+φ）

1.2.2 轉(zhuǎn)換波形電路

交流信號(hào)通過(guò)零檢測(cè)電路，產(chǎn)生與激磁信號(hào)頻率相同、相位相反，且幅度一致的差分方波，該波形用來(lái)使模擬開(kāi)關(guān)開(kāi)啟或者關(guān)斷。使用LM121運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。對(duì)于模擬開(kāi)關(guān)信號(hào)使用集成電路AD7510或DG444完成波形整形后，做為相位檢測(cè)用的比較信號(hào)ej[2]。

圖4 轉(zhuǎn)換波形電路Fig．4 Circuit ofwaveform Conversion

1.2.3 相位差別采樣電路

1）原理組成

輸入信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)被乘法器電路和濾波器電路作用來(lái)進(jìn)行相位的采樣[3-5]，電路如下：

圖5 相位檢測(cè)原理框圖Fig．5 Phase detector block diagram

另輸入信號(hào)為：usr=Umsin（ωt+φ）

通過(guò)傅立葉變換可知，將方波信號(hào)變換為：

使ωj=ω那么通過(guò)濾波器后信號(hào)為：U sc=2/π×UmEmsinφ

2）檢測(cè)相位電路

圖6 相位檢測(cè)電路Fig．6 Circuit of phase detection

該電路與原理的不同在于，將正弦波的測(cè)試信號(hào)改為同頻率的方波做模擬開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)正半周的方波信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，則輸出該半周所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)。當(dāng)負(fù)半周的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，輸出為輸入信號(hào)的相位差180°信號(hào)。

等效電路如圖7所示。

由等效電路知：

圖7 濾波電路Fig．7 Filter circuit

1.2.4 低通濾波器電路

圖8 濾波電路Fig．8 Filter circuit

低通濾波電路可抑制高頻信號(hào)，同時(shí)允許低頻信號(hào)通過(guò)[4]。濾波器的截止頻率： f a=1/（2πR3×C1）

由于 ω﹤﹤ωO，所以：

1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

由式 UO=R3/R1×2/π×U sinφ 得知，采用濾波電阻 R3外接的方式，那么只有輸入信號(hào)幅值U和相位偏差φ是變量[6]。

取 R3=160 kΩ， R1=100 kΩ， U=1．4×5 V， φ=90°

UO=R3/R1×2/π×U sinφ=7．14 V

計(jì)算的結(jié)果，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

2 信號(hào)處理電路的相關(guān)設(shè)計(jì)及測(cè)試情況

根據(jù)電路自身的特點(diǎn)以及客戶需求，為了更好地發(fā)揮電路的性能，把低通濾波器的RC網(wǎng)絡(luò)外接，使得在整機(jī)的聯(lián)調(diào)、聯(lián)試中便于調(diào)試。

通道一致性：輸出誤差≤150 mV，輸出零位：≤±10 mV。為保證這兩個(gè)方面的參數(shù)的精度，優(yōu)化選取元器件，根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)要求，使用電阻聯(lián)調(diào)的方法。同時(shí)電路中加入調(diào)零電路以及諧振網(wǎng)絡(luò)，保證了兩種指標(biāo)完全滿足客戶的需求。

實(shí)際的各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

電路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，與系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)單位經(jīng)常進(jìn)行協(xié)商，聯(lián)機(jī)調(diào)試，驗(yàn)證各個(gè)點(diǎn)的參數(shù)，經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)，最終給用戶提供了性能指標(biāo)完全滿足要求的產(chǎn)品。

3 結(jié)束語(yǔ)

電路通過(guò)反復(fù)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)，目前在系統(tǒng)中工作正常，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求。電路滿足了用戶提出的一系列要求，同時(shí)采用厚膜的工藝生產(chǎn)，確保了高可靠性，可以在實(shí)際應(yīng)用中做進(jìn)一步的拓展使用。

表1 信號(hào)處理電路實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 The experim ent test data tab les of signal processing circuit

[1]李清泉，黃昌寧．集成運(yùn)算放大器原理與應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，1980．

[2]鄭福元，周立飛，虎軒東．厚薄膜混合集成電路-設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，1984．

[3]童詩(shī)白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2001．

[4]康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M]．5版．北京：高等教育出版社，2010．

[5]羅德泉，薛斌．一種多通道相敏檢波電路[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，1990（12）：50．

LUO De-quan，XUE Bin．A multi channel phase sensitive demodulation circuit[J]．Application of Electronic Technique，1990（12）：50．

[6]計(jì)延忠．差動(dòng)相敏檢波電路的分析[J]．湖州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2000（12）：20-21．

JI Yan-zhong．An analysis of differential phase-sensitive detector circuit[J]．Journal of Huzhou Teachers College，2000（12）：20-21．