高精度精密相位檢測儀的乘法電路與放大電路設計

張 凱

（陜西工業職業技術學院 712000）

1 概述

隨著相位測量技術廣泛應用于國防、科研、生產、醫療等各個領域，對相位測量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發展，在高頻范圍內，相位測量在醫療部門有著尤其重要的意義，對于高頻相位的測量，用傳統的指針式儀表顯然不能夠滿足所需的精度要求，隨著電子技術以及微機技術的發展，高精度的測量分辨率以及直觀化的特點得到越來越廣泛的應用。在具體的工程實現中對相位的高精度檢測并數字化是一個比較困難的問題。原有的測量方法是對兩個輸入信號進行調理，應用過零檢測的方法使其變換成兩個方波，然后我們用這兩方波去控制一個計數器的開停，即用高頻的脈沖去填充兩個信號的時差實現相位的測量。

本次設計中為了提高測量精度，采用乘法電路模塊和高精度放大電路，下面對這兩個電路進行說明。

2 乘法電路模塊

該模塊的主要作用就是得到含有相差信息的低頻分量cosΦ，將相差的大小轉換為相應的電壓值。但在本設計中我們研究的相差是很小的，Φ的取值范圍只是在 0 .10?100之間，這樣與之相對應的相差信息分量cosΦ的值也很小，而一個很小的電壓（如毫伏級別）是難以識別的。這是本設計中最為重要的一個問題，如何將一個很小的相差信息轉化為一個可以識別的電壓。而在此我們設計AD834乘法電路可以很好的解決這個問題。

AD834主要用于高頻信號的運算與處理，能夠對設計中兩路10MHZ的高頻信號進行處理轉換。將兩路含有相差信息的正弦信號Asinωt和 Asin(ωt+Φ) 送入乘法器AD834的兩輸入端X端和Y端，我們來分析AD834的傳遞函數W=4XY：

顯然，輸出W由高頻分量cos(2ωt+Φ) 和 相差信息cosΦ分量 構成，其中高頻分量cos(2ωt+Φ)將通過其后的MAX291濾波電路被濾除，從而就可得到獨立的相差信息分量cosΦ，其值為一定值（不含頻率W，相差Φ的大小也已知）且cosΦ的值很小。為了克服小電壓難以識別的問題我們希望相差信息分cosΦ量盡可能大些，為此我們要盡可能的提高相差信息分量cosΦ的值，但是 的值一定，所以我們只有通過提高系數 的值來達到增大電壓值的目的。

但A的值受限于AD834，因為當差分電壓大于1.3V時，系統將產生明顯失真。所以我們在此將A取最大值即A=1.3V。

3 高精度運放電路模塊

在乘法電路模塊中，可以看到乘法器的輸出值是比較小的，而小電壓難以識別。所以，該模塊的主要作用就是對乘法器輸出的小直流進行適當的放大使它易于被識別。我們的主要任務就是設計一個性能良好的低頻高精度運算放大器。在此，我們選用甚底噪聲高精度運算放大器OP37來實現，因為：OP37具有極底的輸入噪聲、溫度漂移，極低的失調電壓、失調電流，寬的頻帶范圍和長期工作穩定等顯著特點。可廣泛應用于微弱信號放大、精密測量、精密儀器的前置放大、優質音響系統、D/A轉換及各種儀器儀表、自動控制等領域中。

所謂運算放大器，實際上是一種具有很高輸入電阻和很高放大倍數的直接耦合放大器，是一個比較理想的電壓增益器件，因此它獲得了廣泛的應用。運算放大器的種類很多，電路也不盡一致，如：同相與反相放大器，橋式放大器，加法器、積分器、對數運算器等等，但多數運算放大器都是由四個基本部分所構成：輸入級、中間級、偏置電路、輸出級。

放大電路中的噪聲與干擾：放大電路是一種具有較高靈敏度的弱電系統，很容易受到內部和外界一些無規則信號的影響，這些來自放大電路內部或外界無規則的信號我們稱之為噪聲或干擾。在噪聲和干擾電壓的大小可以與有用信號相比較時，放大電路輸出端有用信號將被它們所“淹沒”，或者說放大后的有用信號已難以在輸出電壓中被檢測出來了。因此噪聲和干擾是高靈敏度放大器中必須加以考慮的重要問題。下面給出OP37的三個主要參數：

（1）極低的輸入噪聲電壓幅度0.08uVp-p（0.1Hz － 10Hz）

（2）極低的輸入失調電壓10uV

（3）極低的輸入失調電壓溫漂0.2uV/℃

在本模塊中，我們的目的是將很小的輸出電壓（直流信號），進行適當的放大，不包含相位信息，與相位無關。所以，我們采用由OP37構成的同相放大器來實現對輸出信號的放大。下面我們給出該運放電路的原理圖：

OP37構成的同相放大器

上式表示，放大器的輸出電壓與輸入電壓同相，且閉環放大倍數也是由外部反饋網絡的電阻比值來決定。此時的輸入電阻輸出電阻R0≈0。

由乘法電路我們知道：Φ=0、W=0.845；Φ= 0 .50、W=0.844967；Φ= 10、W=0.844871；Φ= 20、W=0.844485

為了辨識 0 .50單位的相位差，即 00與 0 .50之間的相差，00與10之間的相差……

我們作如下處理：

Φ= 0 .50時的相差為?=0.845-0.844967=0.05mV

Φ= 10時的相差為?=0.845-0.844871=0.129mV

Φ= 20時的相差為?=0.845-0.844485=0.515mV

通過觀察上面的三組數據知道?的值非常小，只達到mV級別，根本無法識別，該模塊將對其進行適當的放大，把它放大到以V為單位，這樣我們就可以容易測量出它的值。下面我們就來確定所需的放大倍數：

0.05mV × 5 000 = 0 .25V0.129mV ×5 000=0.645V

0.515mV × 5 000 = 2.575V

0.25V、0.645V、2.575V都是我們可以容易測量出來的，所以，我們需要一個放大倍數為5000的放大器。在此，我們采用級聯放大電路來實現。用兩個OP37同相放大器，第一級電壓增益Avf1為100，第二級電壓增益Avf2為50。級聯后Avf=Avf1×Avf2= 5 000 達到要求。下面來確定元件參數：

取Rf=5K?R1=50? 則：Avf=100

取Rf= 2 .5K?R1=50? 則 ：Avf=50偏置電阻R2一般取在此我們取R=500?

最后給出OP37構成的電壓增益為5000的兩級同相放大器：

4 結束語

本系統實現了對兩路10MHZ正弦信號中 0 .10到 1 00相差的精確檢測，并最終用可識別的電壓來表征相差的大小。在高頻環境下，能夠穩定輸出，計算誤差小，低失真。乘法電路和高精度運放電路都能夠穩定工作，各模塊性能都達到設計要求。對系統進行整體調試，工作穩定、性能良好，具有高的實時性、檢測精度和抑制噪聲能力，能很好的實現在高頻環境下，對很小相差的高精度測量。該系統還可以得到進一步的擴展和完善，使該方法能夠被廣泛應用。 隨著相位測量技術廣泛應用于國防、科研、生產、醫療等各個領域，對相位測量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發展，在高頻范圍內，相位測量在醫療部門有著尤其重要的意義。

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