第5章-模拟移相网络的设计.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第5章 模拟移相网络的设计,第5章 模拟移相网络的设计,5.1 设计任务,5.2 设计方案论证,5.3 电路的设计,5.1 设计任务,参考图5.1设计一个移相网络，具体要求如下:,(1)输入信号频率:100,Hz、1 kHz、10 kHz。,(2),连续相移范围:45,45,。,(3),A,、,B,输出的正弦信号峰峰值可分别在,0.3,5,V,范围内变化。,图5.1 移相网络,5.2 设计方案论证,5.2.1 电路各部分介绍,图5.1所示的模拟移相网络是以运放为核心构成的模拟电路，为了分析的方便，将,图,5.1,重画于图,5.2,中，该模拟移相网络的构成具体情况如下,:,图5.2 重画移相网络,(1)两条,RC,串联电路分别是滞后网络和超前网络。(2)运放,A1、A2,是电压跟随器，分别取得信号,U,R,和,U,C,，,并隔离其前后两部分电路，使其前后两部分互相不产生影响（指不良影响）。,(3),A4,构成同相放大电路，其电压放大倍数大于1。,U,B,与,U,o,同相。,(4),A3,是电压跟随器。,U,A,与,U,i,同相。,(5),RP1,电位器是移相电位器（,shift phase）。,(6)RP2,、,RP3,电位器是输出电压幅度调节电位器。,5.2.2 电路工作原理,1.画相量图,设,U,i,是正弦信号，则,U,A,与,U,B,是两个同频率的正弦信号。所谓相位，是指相位差，即,U,B,与,U,A,的相位差，不妨令相位差为,。,所谓移相，是指改变,。,画相量图如图5.3所示。在画相量图时，考虑了两条并联的,RC,移相电路是参数相同的，因此，两条,RC,电路中两个电阻,R,上的电压完全相等（相位、频率、幅值都对应相等），两个电容,C,上的电压也完全相等，并且考虑了电压跟随器,A1、A2,的电压跟随特性。,由于,U,A,与,U,i,同相，且,U,B,与,U,o,同相，因此，,U,B,与,U,A,的相位差就是,U,o,与,U,i,的相位差,。,图5.3 相量图,(,a)RC,移相电路；,(,b),相量图,2.分析过程,参考图5.2和图5.3，分析后可以得到如下结论:,(1)当,RP1,滑动触点分别处于上下端点时，,U,o,分别等于,U,R,、U,C,，,这时相位差,分别大于0,、小于0,，而且|,|90,。,(2),当,RP1,的滑动触点改变位置时，,U,o,相量的端点在,U,R,U,C,相量上移动，相位差,随之也发生改变。,(3)为了保证45,+45,，,则,U,i,必须处于90,角的平分线上，这样的话，,U,R,=U,C,，,而,U,R,=I,R,，,U,C,=,，,所以,R=,，,此式就是我们确定参数电阻,R,和电容,C,的依据。,(4)在 条件下，,U,R,=U,C,=,U,i,0.707U,i,，,而且，由相量图可以看出，当,RP1,滑动触点处于中间位置时，,U,o,与,U,i,同相，这时,Uo,取得最小值，为,U,o,min,=,U,i,=0.5U,i,；,当,RP1,滑动端点处于上、下端点时，,U,o,取得最大值，为,U,omax,=U,R,=U,C,=0.707U,i,。,由此可见，0.5,U,i,U,o,0.707U,i,，,此式就是我们确定运放,A4,电压放大倍数的依据。,(5)为了由,U,o,而得到,U,B,，,而且使得,U,B,的变化范围达0.35,V，,则必须对,U,o,进行放大，这是由运放,A4,来完成的。取,A4,的电压放大倍数为2，则有,U,i,U,B max,1.414U,i,。,5.3 电路的设计,5.3.1 元器件参数的选择,1.参数计算,当输入正弦信号,U,i,的频率为20,Hz20 kHz,时，由于电容的容抗1/,C,变化比率达1000倍，而电阻的值不变，要保证,R=1/C，,则必须同时改变电容,C,和电阻,R。,因为容抗变化比率为1000倍，所以我们想到通过波段开关切换电容，并且保证在某一电容值下，通过电位器来改变电阻,R，,使得频率在某一较小范围内（与20,Hz20 kHz,频率范围比较），保证,R=1/,C,。,电容参数的选择如表,5.1,所示。,表,5.1,电容参数的选择,由表5.1可以确定电阻,R，,不妨令,R=300+（010）k，,即取一个300,的固定电阻，一个10,k,的电位器，二者串联，获得所需要的电阻,R。,因为有两条,RC,串联电路，所以电位器采用双连电位器，并且电容的改变可通过双刀三掷波段开关实现切换。,2.电路图,最后所设计的完整的模拟移相网络电路图如图5.4所示。运算放大器选用,LM324；,取,R=300+（010）k，,其中两个10,k,可变电位器是联动的；,S1、S2,是一个双刀三掷波段开关，,S1、S2,也是联动的；电位器,RP1=RP2=RP3=10 k；,为了保证运放,U1D,的电压放大倍数为2，取,R1=R2=10 k；J1、J2,是移相信号输入、输出插座。容值为2.2,F、0.22 F、0.022 F,的电容器均采用独石电容器。,因为,A、B,输出端的正弦信号峰,峰值分别在0.35,V,范围内变化，不妨假设,U,i,的,峰峰值就是,0.3,5,V,，,因为,U,A,=,U,i,，,则,U,A,满足要求。而,U,B,的最大值为,1.4,U,i,max,=1.4,5 V=7 V,。,所以，为了保证电路具有足够的动态范围并适当留有一定的裕量，选定运放,LM324,的直流供电电源电压为,5,V,。,图5.4 模拟移相网络电路图,5.3.2 电路调试方法（操作使用方法）,根据移相网络的工作原理及元器件参数的设计，不难给出移相网络的调试方法（也是该移相网络的操作使用方法）如下:,（1）对应输入信号的不同频率段，通过波段开关,S1、S2,切换电容器分别为2.2,F、0.22 F、0.022 F。,如表5.1所示，当输入信号频率为20100,Hz,时，,S1、S2,处于位置1；当输入信号频率为100,Hz1 kHz,时，,S1、S2,处于位置2；当输入信号频率为120,kHz,时，,S1、S2,处于位置3。,(2)对于每一个任意的频率为,f,的正弦波输入信号,U,i,，,移相以前要进行校准。不仅要先调整波段开关切换电容，还要调双连电位器，使得当,RP1,分别在上、下端点时，保证,R=1/C，U,A,与,U,B,的相位差分别为,45,，而且此时（,RP1,分别在上、下端点的情况下）有,(3)经过步骤(2)校准后，移相网络就可以正常使用了。,改变,RP1,滑动触点的位置可以移相,，,且有45,+45,，,改变,RP2,可改变,U,A,，U,A,=(01),U,i,；,改变,RP3,可改变,U,B,，,且当,U,B,与,U,i,同相时有,U,B,=(01),U,i,，,当,U,B,与,U,i,不同相时有,U,B,=(0 ),U,i,。,（4）,移相网络的输入阻抗。,移相网络的输入阻抗是两条串联,RC,电路的并联值，电路输入阻抗为,（,361.7,7234,）,=255,5115,5.3.3 几点结论,（1）经校验可知，以上设计达到了设计任务的要求，并且在设计过程中还综合考虑了该移相网络制作出来后，可以与第3章介绍的相位测量仪配合使用。在设计过程中，我们考虑输入信号频率,f=20 Hz20 kHz，,而不是三个频率点:100,Hz、1 kHz、10 kHz。,实际测试验收时，相位测量仪只测量100,Hz、1 kHz、10 kHz,三点的情况，故以上设计已超过设计任务提出的要求。,（2）根据上述移相网络的设计方法，很容易设计出-90,+90,、-180,+180,、,0,90,、,0,180,、,-90,0,、,-180,0,、,0,+360,的移相网络。,