專利名稱：寬頻0-360°移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬頻0-360°移相器，它特別適用于微弱信號(hào)檢測(cè)儀器一鎖相放大器中，目前一般的移相電路只具單頻性。國(guó)外的一些鎖相放大器中，雖然使用了寬頻移相器，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如英國(guó)BrooKdel 402型鎖相放大器的移相電路，用多達(dá)四大塊印制電路，140只晶體管和二極管構(gòu)成；美國(guó)EVANS 4114是相當(dāng)簡(jiǎn)易的相位控制單元，也使用了26個(gè)組件和13只晶體管，本實(shí)用新型的目的在于克服上述的缺點(diǎn)，提供一種寬頻率范圍，相位0-360°可調(diào)，精度高，工作穩(wěn)定，調(diào)試簡(jiǎn)單，性能價(jià)格比高，簡(jiǎn)單實(shí)用的移相器。
本實(shí)用新型提供的寬頻0-360°移相器由過零檢測(cè)器[1]、45°-145°可調(diào)相位移相器[2]、0°/90°/180°/270°象限轉(zhuǎn)換器[3]組成，各單元的線路連接、單元之間的連接及波形請(qǐng)見附

圖1至5，當(dāng)輸入為TTL電平的信號(hào)，它的上升沿作為初始相位Φ0，則輸出為TTL電平的方波Φ，Φ值可相對(duì)于Φ0在0-360°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，如輸入為正弦信號(hào)，則需插入一個(gè)過零檢測(cè)器，整形成TTL電平，45°-145°可調(diào)相位移相器[2]的工作原理如圖2所示，各點(diǎn)波形如圖3所示，圖2中，甲、乙、丙分別為積分器、比較器和雙穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)輸入頻率信號(hào)到點(diǎn)k時(shí)，使點(diǎn)L為低電平，模擬門SW斷，I1對(duì)電容器C充電，點(diǎn)m處電平上升；當(dāng)點(diǎn)m處電平Vc達(dá)到門控電平V＝2v時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，點(diǎn)n處產(chǎn)生復(fù)位脈沖，使點(diǎn)l為高電平，SW通，(I2－I1)對(duì)電容器C放電，點(diǎn)m處電平Vc下降；如此往返，根據(jù)電荷平衡原理，充電電荷I1T1，與放電電荷(I2－I1)T2應(yīng)相等，即I1·T1＝(I2－I1)T2，其中，I1=V-R1]]>I=V+R2]]>如信號(hào)周期 則 相移量Φ=T1T=(1-I1I2)]]>如:|V+|＝|V-}，則Φ=(1-R2R1),]]>如R2R1=34]]>則Φ=14]]>周期，即Φ＝90°如R2R1=78]]>，則Φ=18]]>周期，即 Φ＝45°.
所以改變圖2中R2/R1的比值，或改變|V+|/|V-|的比值，則可修改Φ值，0°/90°/180°/270°象限轉(zhuǎn)換器[3]利用鎖相環(huán)集成電路，根據(jù)鎖相環(huán)原理，可以通過附加分頻器產(chǎn)生信號(hào)頻率的四倍頻信號(hào)，對(duì)它的倍頻信號(hào)進(jìn)行邏輯組合，可以合成信號(hào)頻率的0°/90°/180°/270°移相信號(hào)，本象限轉(zhuǎn)換器中，只用了鎖相環(huán)和74HC74兩個(gè)普通集成電路，即僅利用一個(gè)變形的四分頻器，即可直接產(chǎn)生0°/90°/180°/270°的移相信號(hào)，本實(shí)用新型具有頻率范圍寬，相位可以在0-360°范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但精度較高，工作穩(wěn)定，裝配調(diào)試簡(jiǎn)單，性能價(jià)格比高，是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的寬頻0-360°移相器，
以下結(jié)合附圖1至5所表示的實(shí)施例1對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述，圖1是本實(shí)用新型的原理方框圖，圖2是本實(shí)用新型的45°-145°移相器的工作原理圖，圖3是本實(shí)用新型45°-145°移相器各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波形圖，圖4是本實(shí)用新型優(yōu)先選用的原理電路圖，圖5是本實(shí)用新型優(yōu)先選用的原理電路圖各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波形圖，實(shí)施例145°-145°可調(diào)相位移相器[2]如附圖4上半部所示，各點(diǎn)對(duì)應(yīng)波形為圖5中的a-e，積分器運(yùn)算放大器(U1)采用場(chǎng)效應(yīng)輸入運(yùn)放CA3130，如工作在低頻率時(shí)，則選用輸入偏流很小的MOS EFT輸入的運(yùn)放，如工作頻率高于100KC/S，則采用高速運(yùn)放，SW采用低價(jià)通用模擬開關(guān)CD4066(U2)，積分電容值可根據(jù)工作頻率選用如C1＝10μ時(shí)，頻率范圍為10Hz至400Hz，充、放電電壓取自±6V電源，分別經(jīng)RV1(1K)、R1(6.5K)、U2；VR(4.7K)、RV2(15K)、R2(30K)；及R3(8K)形成充、放電流，其中RV1為45°相位的校準(zhǔn)電阻，VR2為145°的校準(zhǔn)電阻，VR為45°-145°的調(diào)節(jié)電位器，U1的同相輸入端接地，反相輸入端與U2的輸出端連接，反相輸入端經(jīng)R2和RV2連至VR的中心點(diǎn)，VR的兩端分別與正電源電壓和地相連，反相輸入端經(jīng)R3連至負(fù)電源電壓，反相輸入端經(jīng)積分器電容C1連至其輸出端，雙穩(wěn)態(tài)電路與比較器中，主要由G1、G2和R4(100Ω)、C3(100P)組成脈沖縮窄電路，使附圖4中點(diǎn)a處的輸入方波轉(zhuǎn)為點(diǎn)b處的負(fù)脈沖，G1的兩個(gè)和G2的一個(gè)輸入端相短接，輸入信號(hào)點(diǎn)a即加至該端，G1的輸出經(jīng)R4和C3形成的微分級(jí)后加至G2的另一輸入端，G2的輸出點(diǎn)b加至變形雙穩(wěn)態(tài)級(jí)，主要由G3、G4和R5(1K)組成變形雙穩(wěn)態(tài)電路，G3的輸出和G4的兩個(gè)輸入端相短接，G3的另一輸入端點(diǎn)e和G4的輸出端點(diǎn)c之間用R5相跨接，主要由普通硅開關(guān)二極管D1、D2與G3、G4及負(fù)向下拉電阻R6(4.7K)一起組成電壓比較器，D1、D2的負(fù)端和點(diǎn)e相連，D1的正端和點(diǎn)c相連，D2的正端連至運(yùn)放U1的輸出端點(diǎn)d，R6的一端連至點(diǎn)e，另一端連至負(fù)電源電壓，模擬門U2的輸入端經(jīng)R1和RV1連至正電源電壓，輸出端加至運(yùn)放U1的反相輸入端，其控制端連至變形雙穩(wěn)態(tài)輸出點(diǎn)c，當(dāng)點(diǎn)h處出現(xiàn)負(fù)脈沖時(shí)，G4輸出點(diǎn)c為低(0.3V)，U2關(guān)斷，積分器充電；由于下拉電阻R6，使點(diǎn)e處為-0.3V左右，D1通，D2斷，當(dāng)積分器正向充電使輸出點(diǎn)d高于+0.3V后，則D2通，D1斷，直至點(diǎn)d達(dá)到+2.0V時(shí)，則點(diǎn)e達(dá)+1.4V，抵達(dá)G3的門檻電平。由于G3、G4的強(qiáng)烈正反饋?zhàn)饔茫杆偈笹4輸出點(diǎn)c為高(＞3V)，使D1通導(dǎo)，D2關(guān)斷，積分器反向放電，直至下一個(gè)點(diǎn)b處脈沖的到來。
此處的G1、G2、G3、G4只用了一個(gè)普通的四與非門74LS00組成，不采用專門電源，而由用于積分器運(yùn)放的同一+6V供電。這樣既供電簡(jiǎn)單，又省卻了通常G4驅(qū)動(dòng)模擬門時(shí)所需的電平轉(zhuǎn)換。
該電路適用的工作頻率范圍為10Hz至400Hz，切換積分器電容C1值，便可以改變頻率范圍，用三個(gè)不同的C1值即可覆蓋1Hz至100KHz的頻率范圍。
相位值的校驗(yàn)用示波器或相位計(jì)觀測(cè)點(diǎn)Q與點(diǎn)C之間的相移，令Va為RV2從VR上獲取的0至+6V的電壓值，先將VR調(diào)至順時(shí)針端，使Va＝0V，調(diào)RV1，使相位指示為45°；再將VR調(diào)至逆時(shí)針端，使Va＝+6V，調(diào)RV2使相位指示為145°固定RV1、RV2值，通過調(diào)整VR即可獲得45°-145°的相位變化，0°/90°/180°/270°象限變換器[3]的原理電路圖如圖4下半部所示。對(duì)應(yīng)各點(diǎn)波形為圖5的f-j。
由45°-145°移相級(jí)產(chǎn)生的移相信號(hào)(附圖4中的點(diǎn)c)的上升沿作為鎖相環(huán)U3的輸入信號(hào)，加至相鑒器(PD)端。U3的VCO的輸出(附圖4中點(diǎn)g)端連至一個(gè)用74BC74(U4)組成的變形四分頻器，它的輸出反饋至PD端，即可構(gòu)成0°/90°/180°/270°相位的四路輸出，附圖4中點(diǎn)f、點(diǎn)h、點(diǎn)j、點(diǎn)i分別為45°＋0°、45°＋270°、45°＋180°和45°＋90°移相輸出信號(hào)，環(huán)路濾波器由R7、R8和C4組成。頻率捕獲范圍由R9和C2決定。該電路的工作頻率分為10Hz-400Hz。如需修改工作頻率范圍，則可修改電容器C2值。
整個(gè)電路，包括模擬電路和數(shù)字電路的供電是采用統(tǒng)一的經(jīng)過穩(wěn)壓的±6V電源。
45°-145°移相信號(hào)點(diǎn)c和U4的Q2輸出信號(hào)點(diǎn)f分別連至相鑒器的兩個(gè)輸入端。U3的VCO輸出點(diǎn)g連接U4的C1。相鑒器的輸出經(jīng)由R7、R8和C4組成的環(huán)路低通濾波器加至VCO的輸入，鎖相環(huán)的頻率捕獲范圍由加至在VCO相應(yīng)部位的R9和C2決定。U4的連接為D1和Q2，Q1和D2，S1、S2和正電源電壓，C1和VCO輸出點(diǎn)g，Q2加至相鑒器的一個(gè)輸入端。Q1(點(diǎn)i)為45°＋90°信號(hào)輸出；Q1(點(diǎn)h)為45°＋270°信號(hào)輸出；Q2(點(diǎn)f)為45°＋0°信號(hào)輸出；Q2(點(diǎn)j)為45°＋180°信號(hào)輸出。
權(quán)利要求1.一種寬頻0-360°移相器，它特別適用于微弱信號(hào)檢測(cè)儀器--鎖相放大器中，包括過零檢測(cè)器，其特征在于a.由G1、G2、R4和C3組成脈沖縮窄電路，G1的兩個(gè)和G2的一個(gè)輸入端相短接，輸入信號(hào)點(diǎn)a即加至該端，G1的輸出經(jīng)R4和C3形成的微分級(jí)后加至G2的另一輸入端，G2的輸出點(diǎn)b加至變形雙穩(wěn)態(tài)級(jí)，b.G3、G4和R5組成變形雙穩(wěn)態(tài)電路，G3的輸出和G4的兩個(gè)輸入端相短接，G3的另一輸入端點(diǎn)e和G4的輸出端點(diǎn)c之間用R5相跨接，c.D1、D2、G3、G4和負(fù)向下拉電阻R6一起組成電壓比較器，D1、D2的負(fù)端和點(diǎn)e相連，D1的正端和點(diǎn)c相連，D2的正端連至運(yùn)放U1的輸出端點(diǎn)d，R6的一端連至點(diǎn)e，另一端連至負(fù)電源電壓，d.模擬門U2的輸入端經(jīng)R1和RV1連至正電源電壓，輸出端加至運(yùn)放U1的反相輸入端，其控制信號(hào)來自變形雙穩(wěn)態(tài)輸出點(diǎn)c，e.U1的同相輸入端接地，反相輸入端與U2的輸出端連接，反相輸入端經(jīng)R2和RV2連至VR的中心點(diǎn)，VR的兩端分別與正電源電壓和地相連，反相輸入端經(jīng)R3連至負(fù)電源電壓，反相輸入端經(jīng)積分器電容C1連至其輸出端，f.45°-145°移相器[2]信號(hào)點(diǎn)c和U4的Q2輸出信號(hào)點(diǎn)f分別連接相鑒器的兩個(gè)輸入端，U3的VCO輸出點(diǎn)g連接U4的C1，相鑒器的輸出經(jīng)由R7、R8和C4組成的環(huán)路低通濾波器加至VCO的輸入，鎖相環(huán)的頻率捕獲范圍由加至VCO相應(yīng)部位的R9和C2決定，g.U4的連接為D1和Q2，Q1和D2，S1、S2和正電源電壓，C1和VCO輸出點(diǎn)g，Q2加至相鑒器的一個(gè)輸入端，h.Q1(點(diǎn)i)為45°＋90°信號(hào)輸出；Q1(點(diǎn)h)為45°＋270°信號(hào)輸出；Q2(點(diǎn)f)為45°＋0°信號(hào)輸出；Q2(點(diǎn)j)為45°＋180°信號(hào)輸出。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種寬頻0-360°移相器，它特別實(shí)用于微弱信號(hào)檢測(cè)儀器——鎖相放大器。目前一般的移相電路只具有單頻性，國(guó)外的鎖相放大器中，雖用了寬頻移相器，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而本實(shí)用新型僅用了5只通用組件和2只二極管。本實(shí)用新型工作穩(wěn)定，不但精度高，而且性能價(jià)格比高，寬頻，0-360°可調(diào)相位，是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的移相器。
文檔編號(hào)H03H11/16GK2239101SQ95213508
公開日1996年10月30日 申請(qǐng)日期1995年6月21日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月21日
發(fā)明者毛韻瑗 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所