模拟移相网络的设计题材

第5章模拟移相网络的设计第5章模拟移相网络的设计设计任务

设计方案论证电路的设计第5章模拟移相网络的设计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:输入信号频率:100Hz、1kHz、10kHz。连续相移范围:－45°～＋45°。A.B输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3～5V范围内变化。第5章模拟移相网络的设计图5.1移相网络第5章模拟移相网络的设计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:第5章模拟移相网络的设计图5.2重画移相网络第5章模拟移相网络的设计两条RC串联电路分别是滞后网络和超前网络。运放A1.A2是电压跟随器，分别取得信号UR和UC，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）。A4构成同相放大电路，其电压放大倍数大于1。UB与Uo同相。A3是电压跟随器。UA与Ui同相。RP1电位器是移相电位器（shiftphase）。RP2、RP3电位器是输出电压幅度调节电位器。第5章模拟移相网络的设计5.2.2电路工作原理1.画相量图设Ui是正弦信号，则UA与UB是两个同频率的正弦信号。所谓相位，是指相位差，即UB与UA的相位差，不妨令相位差为θ。所谓移相，是指改变θ。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UA与Ui同相，且UB与Uo同相，因此，UB与UA的相位差就是Uo与Ui的相位差θ。第5章模拟移相网络的设计图5.3相量图(a)RC移相电路；(b)相量图第5章模拟移相网络的设计分析过程参考图5.2和图5.3,分析后可以得到如下结论:当RP1滑动触点分别处于上下端点时,Uo分别等于UR、UC,这时相位差θ分别大于0°、小于0°,而且|θ|＜90°。当RP1的滑动触点改变位置时,Uo相量的端点在UR－UC相量上移动,相位差θ随之也发生改变。为了保证－45°≤θ≤+45°,则Ui必须处于90°角的平分线上,这样的话,UR=UC,而UR=I×R,UC= ,所以R= ,此式就是我们确定参数电阻R和电容C的依据。第5章模拟移相网络的设计(4)在 条件下,UR=UC=Ui≈0.707Ui,而且,由相量图可以看出,当RP1滑动触点处于中间位置时,Uo与Ui同相,这时U o取得最小值,为Uomin= Ui=0.5Ui；当RP1滑动端点处于上、下端点时,Uo取得最大值,为Uomax=UR=UC=0.707Ui。由此可见,0.5Ui≤Uo≤0.707Ui,此式就是我们确定运放A4电压放大倍数的依据。(5)为了由Uo而得到UB,而且使得UB的变化范围达0.3~5V,则必须对Uo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Ui≤UBmax≤1.414Ui。第5章模拟移相网络的设计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Ui的频率为20Hz～20kHz时,由于电容的容抗1/ωC变化比率达1000倍,而电阻的值不变,要保证R=1/ωC,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20Hz～20kHz频率范围比较）,保证R=1/ωC。电容参数的选择如表5.1所示。第5章模拟移相网络的设计表5.1电容参数的选择第5章模拟移相网络的设计由表5.1可以确定电阻R，不妨令R=300Ω+（0～10）kΩ ，即取一个300Ω的固定电阻，一个10kΩ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=300Ω+（0～10）kΩ，其中两个10kΩ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=10kΩ；为了保证运放U1D的电压放大倍数为2，取R1=R2=10kΩ；J1.J2是移相信号输入、输出插座。容值为2.2μF、0.22μF、0.022μF的电容器均采用独石电容器。第5章模拟移相网络的设计因为A.B输出端的正弦信号峰—峰值分别在0.3～5V范围内变化，不妨假设Ui的峰—峰值就是0.3～5V，因为UA=Ui，则UA满足要求。而UB的最大值为1.4Uimax=1.4×5V=7V。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±5V。第5章模拟移相网络的设计图5.4模拟移相网络电路图第5章模拟移相网络的设计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2.2μF、0.22μF、0.022μF。如表5.1所示，当输入信号频率为20～100Hz时，S1.S2处于位置1；当输入信号频率为100Hz～1kHz时，S1.S2处于位置2；当输入信号频率为1～20kHz时，S1.S2处于位置3。第5章模拟移相网络的设计(2)对于每一个任意的频率为f的正弦波输入信号Ui,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/ωC,UA与UB的相位差分别为±45°,而且此时（RP1分别在上、下端点的情况下）有第5章模拟移相网络的设计(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θ,且有－45°≤θ≤+45°,改变RP2可改变UA,UA=(0～1)Ui；改变RP3可改变UB,且当UB与Ui同相时有UB=(0～1)Ui,当UB与Ui不同相时有UB=(0～ )Ui。（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（361.7～7234Ω）=255～5115Ω第5章模拟移相网络的设计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=20Hz～20kHz,而不是三个频率点:100Hz、1kHz、10k