基于運(yùn)算放大器的線性相位計(jì)電路設(shè)計(jì)

張鴻雁， 李寶華, 王 睿

(1. 長(zhǎng)春工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2. 吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)作為本科電類專業(yè)的必修課程，是訓(xùn)練學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提高工程素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[1-2]。當(dāng)前模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)普遍以簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主[3], 有限的學(xué)時(shí)使課程內(nèi)容缺少學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路、芯片選型和元件參數(shù)計(jì)算等重要環(huán)節(jié)，不利于學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。在教學(xué)環(huán)節(jié)中加入模擬電路專題的課程設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)目標(biāo)明確的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生在獨(dú)立探索過(guò)程中加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高綜合實(shí)踐能力。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于模擬電路課程設(shè)計(jì)的線性相位計(jì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。相位測(cè)量是電信號(hào)的基本測(cè)量手段，且應(yīng)用廣泛[4-9]。通常相位檢測(cè)電路的輸出是相位差的絕對(duì)值，輸出電壓與輸入信號(hào)的相位差是分段函數(shù)關(guān)系，這種非線性的輸出在一些應(yīng)用中很不方便。本文設(shè)計(jì)的線性相位檢測(cè)電路，電路簡(jiǎn)單，成本低、可靠性強(qiáng)，只需要一片四運(yùn)放就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)正弦信號(hào)的相位差進(jìn)行檢測(cè)。此外，電路中采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)邊沿觸發(fā)器的功能，這是一個(gè)構(gòu)思巧妙的電路設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中體會(huì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性。

1 設(shè)計(jì)原理

相位測(cè)量是電信號(hào)的最基本測(cè)量之一。一般相位檢測(cè)電路的輸出是相位差的絕對(duì)值[10-15]，對(duì)于相位的超前和滯后需另外判斷，輸出電壓與輸入電壓的相位差是非線性的分段函數(shù)，見圖1(a)。這在一些應(yīng)用中很不方便，所以設(shè)計(jì)一個(gè)線性關(guān)系的相位檢測(cè)電路是必要的，見圖1(b)。特別在單電源系統(tǒng)中，往往更希望相位檢測(cè)電路有圖1(c)所示特性。

圖1 相位檢測(cè)電路的輸入輸出特性

檢測(cè)兩路正弦信號(hào)的相位差，通常先將兩個(gè)正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，然后測(cè)量其相位差。因此，下文以方波為例進(jìn)行討論，用A，B分別代表兩路方波，其時(shí)間差為Δt，設(shè)信號(hào)周期為T，則相位差φAB=360Δt/T。如果A的上升沿超前于B的上升沿，則Δt為正，φAB為正；反之，則Δt為負(fù)，φAB為負(fù)。

現(xiàn)有的相位檢測(cè)電路是異或門加低通濾波器，即將兩路被檢測(cè)信號(hào)異或后平均，如圖2中信號(hào)③所示，設(shè)Um為信號(hào)A經(jīng)過(guò)低通濾波后的電壓，則圖2(a)、(b)兩種情況下的信號(hào)③經(jīng)過(guò)低通濾波器后的電壓為：

此時(shí)，電壓輸出Uo是被測(cè)信號(hào)相位差的絕對(duì)值，其特性曲線Uom-φAB如圖1(a)所示，為分段函數(shù)，根據(jù)電壓值無(wú)法確定相位的超前和滯后。

為克服輸出電壓與輸入相位差非線性的缺陷，對(duì)上述相位檢測(cè)電路做如下改進(jìn)：在A信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)輸出高電平，B信號(hào)下降沿時(shí)輸出低電平，如圖2中超前、滯后兩種情況下的信號(hào)④所示，經(jīng)過(guò)低通濾波器后的輸出電壓為：

式中,k、b與Um成比例，變換后信號(hào)的輸出電壓的是線性函數(shù)，其特性曲線Uo-φAB[見圖1(c)]。如需過(guò)零點(diǎn)，只需增加減法電路，減去Um/2，即變換為圖1(b)的特性曲線。

2 電路設(shè)計(jì)

能夠?qū)崿F(xiàn)文中介紹的線性相位差波形變換電路有很多，其中以數(shù)字邏輯電路實(shí)現(xiàn)方案最為簡(jiǎn)潔?？紤]實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容限定為模擬專題，文中采用一片四運(yùn)放(如LM324)設(shè)計(jì)線性相位計(jì)，較數(shù)字邏輯電路方案節(jié)省了一個(gè)芯片，具體電路如圖3所示。

(a) A超前B

(b) A滯后B

圖2 鑒別兩路方波相位的原理圖

圖3 相位檢測(cè)電路原理圖

圖3中:A1，A2，R1～R6，C1～C4構(gòu)成比較器將正弦波(見圖4 信號(hào)①，②)轉(zhuǎn)換為方波(見圖4中信號(hào)③，④)；C5，C6，R7～10為微分電路，提取兩個(gè)方波的跳變沿(見圖4中信號(hào)⑤，⑥)；D1，D2是引導(dǎo)電路，使一路上升沿通過(guò)，另一路下降沿通過(guò)(見圖4中信號(hào)⑦)；A3，R11～15是施密特觸發(fā)電路(也稱遲滯比較器)，有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，可以視為一個(gè)“觸發(fā)器”(稱為雙穩(wěn)態(tài))，用前面所述的邊沿觸發(fā)、翻轉(zhuǎn)這個(gè)“觸發(fā)器”即可實(shí)現(xiàn)圖2中④設(shè)定的相位檢測(cè)功能(見圖4 中信號(hào)⑧)；A3的輸出的電壓信號(hào)⑧經(jīng)過(guò)低通濾波器濾掉高頻成分，輸出的直流值就可以表征相位值。

圖4 相位檢測(cè)電路的波形圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本文利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路相位差可調(diào)節(jié)的正弦信號(hào)，輸入至圖3中A和B點(diǎn)，用萬(wàn)用表測(cè)量其輸出的電壓，得到的數(shù)據(jù)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相位差±50°之間，輸出電壓線性度較好，符合文中設(shè)計(jì)的線性相位檢測(cè)電路輸入輸出特性曲線。通過(guò)示波器觀測(cè)了各個(gè)點(diǎn)的電壓波形，符合圖4中各點(diǎn)的分析波形，證明文中設(shè)計(jì)的線性相位檢測(cè)電路原理正確，設(shè)計(jì)合理。

圖5 相位檢測(cè)電路結(jié)果曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的線性相位計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用一片四運(yùn)放芯片實(shí)現(xiàn)兩路正弦信號(hào)的整形、相位差變換。通過(guò)理論分析、電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該電路實(shí)現(xiàn)了相位檢測(cè)功能，其檢測(cè)結(jié)果與相位差成線性關(guān)系。設(shè)計(jì)中巧妙地采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)了邊沿觸發(fā)器功能，使得電路更加簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性強(qiáng)。本項(xiàng)目通過(guò)教學(xué)應(yīng)用，顯著提高了學(xué)生模擬電路綜合設(shè)計(jì)能力。