一种处理信号相位误差电路的设计

雷建平

（渭南师范学院 陕西 渭南 714000）

相位控制，在很多电子设备的控制系统中会被经常使用。信号相位误差处理电路的主要功能是把系统所产生的正弦波与一个用来比较的正弦波对与相位功能进行比较，比较后输出与相位差成一定关系的直流信号，系统被该直流信号所控制，将系统的相位进行校正，相位控制技术对于设备系统正常工作起着十分重要的作用。这里以一种用模拟电路设计的方法，结合工程上的厚膜工艺，结构上采用全金属密闭的方式封装，使用了细线键合工艺，整体的输出电压精度高、温度特性好[1]。

1 项目方案

1.1 电路方案

系统的设计方案如图1所示。标准信号源被用来模拟系统输入端的信号，为频率是2 000Hz，幅值为5V（有效值）的正弦波信号作为比较信号，将该信号进行运算处理做为输入信号VIN+和VIN-，两路输出为 OUT1、OUT2，用1 kΩ电阻做负载。

图1 电路方案Fig．1 Scheme of circuit design

1.2 原理框图

图2 原理框图Fig．2 Diagram of principle block

下面是单路的放大器的设计计算。

1.2.1 信号放大部分

图3 信号放大电路Fig．3 Circuit of signal amplifier

该电路可接为同相放大器和反相放大器，如果输入信号为 u1=U sin（ωt+φ）

1.2.2 转换波形电路

交流信号通过零检测电路，产生与激磁信号频率相同、相位相反，且幅度一致的差分方波，该波形用来使模拟开关开启或者关断。使用LM121运算放大器实现。对于模拟开关信号使用集成电路AD7510或DG444完成波形整形后，做为相位检测用的比较信号ej[2]。

图4 转换波形电路Fig．4 Circuit ofwaveform Conversion

1.2.3 相位差别采样电路

1）原理组成

输入信号和基准信号被乘法器电路和滤波器电路作用来进行相位的采样[3-5]，电路如下：

图5 相位检测原理框图Fig．5 Phase detector block diagram

另输入信号为：usr=Umsin（ωt+φ）

通过傅立叶变换可知，将方波信号变换为：

使ωj=ω那么通过滤波器后信号为：U sc=2/π×UmEmsinφ

2）检测相位电路

图6 相位检测电路Fig．6 Circuit of phase detection

该电路与原理的不同在于，将正弦波的测试信号改为同频率的方波做模拟开关的驱动信号。当正半周的方波信号出现时，则输出该半周所对应的输入信号。当负半周的信号出现时，输出为输入信号的相位差180°信号。

等效电路如图7所示。

由等效电路知：

图7 滤波电路Fig．7 Filter circuit

1.2.4 低通滤波器电路

图8 滤波电路Fig．8 Filter circuit

低通滤波电路可抑制高频信号，同时允许低频信号通过[4]。滤波器的截止频率： f a=1/（2πR3×C1）

由于 ω﹤﹤ωO，所以：

1.3 设计计算

由式 UO=R3/R1×2/π×U sinφ 得知，采用滤波电阻 R3外接的方式，那么只有输入信号幅值U和相位偏差φ是变量[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

计算的结果，基本满足设计要求。

2 信号处理电路的相关设计及测试情况

根据电路自身的特点以及客户需求，为了更好地发挥电路的性能，把低通滤波器的RC网络外接，使得在整机的联调、联试中便于调试。

通道一致性：输出误差≤150 mV，输出零位：≤±10 mV。为保证这两个方面的参数的精度，优化选取元器件，根据产品的实现要求，使用电阻联调的方法。同时电路中加入调零电路以及谐振网络，保证了两种指标完全满足客户的需求。

实际的各项指标测试数据如表1所示。

电路设计开发过程中，与系统整体设计单位经常进行协商，联机调试，验证各个点的参数，经过不断地改进，最终给用户提供了性能指标完全满足要求的产品。

3 结束语

电路通过反复的设计、改进，目前在系统中工作正常，各项指标均达到要求。电路满足了用户提出的一系列要求，同时采用厚膜的工艺生产，确保了高可靠性，可以在实际应用中做进一步的拓展使用。

表1 信号处理电路实验测试数据Tab.1 The experim ent test data tab les of signal processing circuit

[1]李清泉，黄昌宁．集成运算放大器原理与应用[M]．北京：科学出版社，1980．

[2]郑福元，周立飞，虎轩东．厚薄膜混合集成电路-设计、制造和应用[M]．北京：科学出版社，1984．

[3]童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，2001．

[4]康华光．电子技术基础（模拟部分）[M]．5版．北京：高等教育出版社，2010．

[5]罗德泉，薛斌．一种多通道相敏检波电路[J]．电子技术应用，1990（12）：50．

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

[6]计延忠．差动相敏检波电路的分析[J]．湖州师范学院学报，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．