高精度精密相位檢測(cè)儀的乘法電路與放大電路設(shè)計(jì)

張 凱

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 712000）

1 概述

隨著相位測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)防、科研、生產(chǎn)、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)相位測(cè)量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發(fā)展，在高頻范圍內(nèi)，相位測(cè)量在醫(yī)療部門(mén)有著尤其重要的意義，對(duì)于高頻相位的測(cè)量，用傳統(tǒng)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(shù)以及微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高精度的測(cè)量分辨率以及直觀化的特點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在具體的工程實(shí)現(xiàn)中對(duì)相位的高精度檢測(cè)并數(shù)字化是一個(gè)比較困難的問(wèn)題。原有的測(cè)量方法是對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，應(yīng)用過(guò)零檢測(cè)的方法使其變換成兩個(gè)方波，然后我們用這兩方波去控制一個(gè)計(jì)數(shù)器的開(kāi)停，即用高頻的脈沖去填充兩個(gè)信號(hào)的時(shí)差實(shí)現(xiàn)相位的測(cè)量。

本次設(shè)計(jì)中為了提高測(cè)量精度，采用乘法電路模塊和高精度放大電路，下面對(duì)這兩個(gè)電路進(jìn)行說(shuō)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(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值。但在本設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的相差信息分量cosΦ的值也很小，而一個(gè)很小的電壓（如毫伏級(jí)別）是難以識(shí)別的。這是本設(shè)計(jì)中最為重要的一個(gè)問(wèn)題，如何將一個(gè)很小的相差信息轉(zhuǎn)化為一個(gè)可以識(shí)別的電壓。而在此我們?cè)O(shè)計(jì)AD834乘法電路可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。

AD834主要用于高頻信號(hào)的運(yùn)算與處理，能夠?qū)υO(shè)計(jì)中兩路10MHZ的高頻信號(hào)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換。將兩路含有相差信息的正弦信號(hào)Asinωt和 Asin(ωt+Φ) 送入乘法器AD834的兩輸入端X端和Y端，我們來(lái)分析AD834的傳遞函數(shù)W=4XY：

顯然，輸出W由高頻分量cos(2ωt+Φ) 和 相差信息cosΦ分量 構(gòu)成，其中高頻分量cos(2ωt+Φ)將通過(guò)其后的MAX291濾波電路被濾除，從而就可得到獨(dú)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(shí)別的問(wèn)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(guò)提高系數(shù) 的值來(lái)達(dá)到增大電壓值的目的。

但A的值受限于AD834，因?yàn)楫?dāng)差分電壓大于1.3V時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生明顯失真。所以我們?cè)诖藢取最大值即A=1.3V。

3 高精度運(yùn)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(shí)別。所以，該模塊的主要作用就是對(duì)乘法器輸出的小直流進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯笫顾子诒蛔R(shí)別。我們的主要任務(wù)就是設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的低頻高精度運(yùn)算放大器。在此，我們選用甚底噪聲高精度運(yùn)算放大器OP37來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椋篛P37具有極底的輸入噪聲、溫度漂移，極低的失調(diào)電壓、失調(diào)電流，寬的頻帶范圍和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定等顯著特點(diǎn)。可廣泛應(yīng)用于微弱信號(hào)放大、精密測(cè)量、精密儀器的前置放大、優(yōu)質(zhì)音響系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換及各種儀器儀表、自動(dòng)控制等領(lǐng)域中。

所謂運(yùn)算放大器，實(shí)際上是一種具有很高輸入電阻和很高放大倍數(shù)的直接耦合放大器，是一個(gè)比較理想的電壓增益器件，因此它獲得了廣泛的應(yīng)用。運(yùn)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(duì)數(shù)運(yùn)算器等等，但多數(shù)運(yùn)算放大器都是由四個(gè)基本部分所構(gòu)成：輸入級(jí)、中間級(jí)、偏置電路、輸出級(jí)。

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(tǒng)，很容易受到內(nèi)部和外界一些無(wú)規(guī)則信號(hào)的影響，這些來(lái)自放大電路內(nèi)部或外界無(wú)規(guī)則的信號(hào)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(hào)相比較時(shí)，放大電路輸出端有用信號(hào)將被它們所“淹沒(méi)”，或者說(shuō)放大后的有用信號(hào)已難以在輸出電壓中被檢測(cè)出來(lái)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(wèn)題。下面給出OP37的三個(gè)主要參數(shù)：

（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(diào)電壓10uV

（3）極低的輸入失調(diào)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(hào)），進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅话辔恍畔?，與相位無(wú)關(guān)。所以，我們采用由OP37構(gòu)成的同相放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的放大。下面我們給出該運(yùn)放電路的原理圖：

OP37構(gòu)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(huán)放大倍數(shù)也是由外部反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻比值來(lái)決定。此時(shí)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(shí) 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(shí)的相差為?=0.845-0.844967=0.05mV

Φ= 10時(shí)的相差為?=0.845-0.844871=0.129mV

Φ= 20時(shí)的相差為?=0.845-0.844485=0.515mV

通過(guò)觀察上面的三組數(shù)據(jù)知道?的值非常小，只達(dá)到mV級(jí)別，根本無(wú)法識(shí)別，該模塊將對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅阉糯蟮揭訴為單位，這樣我們就可以容易測(cè)量出它的值。下面我們就來(lái)確定所需的放大倍數(shù)：

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(cè)量出來(lái)的，所以，我們需要一個(gè)放大倍數(shù)為5000的放大器。在此，我們采用級(jí)聯(lián)放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。用兩個(gè)OP37同相放大器，第一級(jí)電壓增益Avf1為100，第二級(jí)電壓增益Avf2為50。級(jí)聯(lián)后Avf=Avf1×Avf2= 5 000 達(dá)到要求。下面來(lái)確定元件參數(shù)：

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?nèi)=500?

最后給出OP37構(gòu)成的電壓增益為5000的兩級(jí)同相放大器：

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩路10MHZ正弦信號(hào)中 0 .10到 1 00相差的精確檢測(cè)，并最終用可識(shí)別的電壓來(lái)表征相差的大小。在高頻環(huán)境下，能夠穩(wěn)定輸出，計(jì)算誤差小，低失真。乘法電路和高精度運(yùn)放電路都能夠穩(wěn)定工作，各模塊性能都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試，工作穩(wěn)定、性能良好，具有高的實(shí)時(shí)性、檢測(cè)精度和抑制噪聲能力，能很好的實(shí)現(xiàn)在高頻環(huán)境下，對(duì)很小相差的高精度測(cè)量。該系統(tǒng)還可以得到進(jìn)一步的擴(kuò)展和完善，使該方法能夠被廣泛應(yīng)用。 隨著相位測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)防、科研、生產(chǎn)、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)相位測(cè)量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發(fā)展，在高頻范圍內(nèi)，相位測(cè)量在醫(yī)療部門(mén)有著尤其重要的意義。

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