一種處理信號相位誤差電路的設計

雷建平

（渭南師范學院 陜西 渭南 714000）

相位控制，在很多電子設備的控制系統中會被經常使用。信號相位誤差處理電路的主要功能是把系統所產生的正弦波與一個用來比較的正弦波對與相位功能進行比較，比較后輸出與相位差成一定關系的直流信號，系統被該直流信號所控制，將系統的相位進行校正，相位控制技術對于設備系統正常工作起著十分重要的作用。這里以一種用模擬電路設計的方法，結合工程上的厚膜工藝，結構上采用全金屬密閉的方式封裝，使用了細線鍵合工藝，整體的輸出電壓精度高、溫度特性好[1]。

1 項目方案

1.1 電路方案

系統的設計方案如圖1所示。標準信號源被用來模擬系統輸入端的信號，為頻率是2 000Hz，幅值為5V（有效值）的正弦波信號作為比較信號，將該信號進行運算處理做為輸入信號VIN+和VIN-，兩路輸出為 OUT1、OUT2，用1 kΩ電阻做負載。

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計計算。

1.2.1 信號放大部分

圖3 信號放大電路Fig．3 Circuit of signal amplifier

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

1.2.2 轉換波形電路

交流信號通過零檢測電路，產生與激磁信號頻率相同、相位相反，且幅度一致的差分方波，該波形用來使模擬開關開啟或者關斷。使用LM121運算放大器實現。對于模擬開關信號使用集成電路AD7510或DG444完成波形整形后，做為相位檢測用的比較信號ej[2]。

圖4 轉換波形電路Fig．4 Circuit ofwaveform Conversion

1.2.3 相位差別采樣電路

1）原理組成

輸入信號和基準信號被乘法器電路和濾波器電路作用來進行相位的采樣[3-5]，電路如下：

圖5 相位檢測原理框圖Fig．5 Phase detector block diagram

另輸入信號為：usr=Umsin（ωt+φ）

通過傅立葉變換可知，將方波信號變換為：

使ωj=ω那么通過濾波器后信號為：U sc=2/π×UmEmsinφ

2）檢測相位電路

圖6 相位檢測電路Fig．6 Circuit of phase detection

該電路與原理的不同在于，將正弦波的測試信號改為同頻率的方波做模擬開關的驅動信號。當正半周的方波信號出現時，則輸出該半周所對應的輸入信號。當負半周的信號出現時，輸出為輸入信號的相位差180°信號。

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，同時允許低頻信號通過[4]。濾波器的截止頻率： f a=1/（2πR3×C1）

由于 ω﹤﹤ωO，所以：

1.3 設計計算

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

計算的結果，基本滿足設計要求。

2 信號處理電路的相關設計及測試情況

根據電路自身的特點以及客戶需求，為了更好地發揮電路的性能，把低通濾波器的RC網絡外接，使得在整機的聯調、聯試中便于調試。

通道一致性：輸出誤差≤150 mV，輸出零位：≤±10 mV。為保證這兩個方面的參數的精度，優化選取元器件，根據產品的實現要求，使用電阻聯調的方法。同時電路中加入調零電路以及諧振網絡，保證了兩種指標完全滿足客戶的需求。

實際的各項指標測試數據如表1所示。

電路設計開發過程中，與系統整體設計單位經常進行協商，聯機調試，驗證各個點的參數，經過不斷地改進，最終給用戶提供了性能指標完全滿足要求的產品。

3 結束語

電路通過反復的設計、改進，目前在系統中工作正常，各項指標均達到要求。電路滿足了用戶提出的一系列要求，同時采用厚膜的工藝生產，確保了高可靠性，可以在實際應用中做進一步的拓展使用。

表1 信號處理電路實驗測試數據Tab.1 The experim ent test data tab les of signal processing circuit

[1]李清泉，黃昌寧．集成運算放大器原理與應用[M]．北京：科學出版社，1980．

[2]鄭福元，周立飛，虎軒東．厚薄膜混合集成電路-設計、制造和應用[M]．北京：科學出版社，1984．

[3]童詩白，華成英．模擬電子技術基礎[M]．北京：高等教育出版社，2001．

[4]康華光．電子技術基礎（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]．電子技術應用，1990（12）：50．

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[6]計延忠．差動相敏檢波電路的分析[J]．湖州師范學院學報，2000（12）：20-21．

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