張 凱

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 712000）

1 概述

隨著相位測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國防、科研、生產(chǎn)、醫(yī)療等各個領(lǐng)域，對相位測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)，相位測量在醫(yī)療部門有著尤其重要的意義，對于高頻相位的測量，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，高精度的測量分辨率以及直觀化的特點得到越來越廣泛的應(yīng)用。在具體的工程實現(xiàn)中對相位的高精度檢測并數(shù)字化是一個比較困難的問題。原有的測量方法是對兩個輸入信號進(jìn)行調(diào)理，應(yīng)用過零檢測的方法使其變換成兩個方波，然后我們用這兩方波去控制一個計數(shù)器的開停，即用高頻的脈沖去填充兩個信號的時差實現(xiàn)相位的測量。

本次設(shè)計中為了提高測量精度，采用乘法電路模塊和高精度放大電路，下面對這兩個電路進(jìn)行說明。

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，這樣與之相對應(yīng)的相差信息分量cosΦ的值也很小，而一個很小的電壓（如毫伏級別）是難以識別的。這是本設(shè)計中最為重要的一個問題，如何將一個很小的相差信息轉(zhuǎn)化為一個可以識別的電壓。而在此我們設(shè)計AD834乘法電路可以很好的解決這個問題。

AD834主要用于高頻信號的運算與處理，能夠?qū)υO(shè)計中兩路10MHZ的高頻信號進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換。將兩路含有相差信息的正弦信號Asinωt和 Asin(ωt+Φ) 送入乘法器AD834的兩輸入端X端和Y端，我們來分析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)將通過其后的MAX291濾波電路被濾除，從而就可得到獨立的相差信息分量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別的問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，所以我們只有通過提高系數(shù) 的值來達(dá)到增大電壓值的目的。

但A的值受限于AD834，因為當(dāng)差分電壓大于1.3V時，系統(tǒng)將產(chǎn)生明顯失真。所以我們在此將A取最大值即A=1.3V。

3 高精度運放電路模塊

在乘法電路模塊中，可以看到乘法器的輸出值是比較小的，而小電壓難以識別。所以，該模塊的主要作用就是對乘法器輸出的小直流進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯笫顾子诒蛔R別。我們的主要任務(wù)就是設(shè)計一個性能良好的低頻高精度運算放大器。在此，我們選用甚底噪聲高精度運算放大器OP37來實現(xiàn)，因為：OP37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，寬的頻帶范圍和長期工作穩(wěn)定等顯著特點。可廣泛應(yīng)用于微弱信號放大、精密測量、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、自動控制等領(lǐng)域中。

所謂運算放大器，實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，是一個比較理想的電壓增益器件，因此它獲得了廣泛的應(yīng)用。運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、對數(shù)運算器等等，但多數(shù)運算放大器都是由四個基本部分所構(gòu)成：輸入級、中間級、偏置電路、輸出級。

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)部和外界一些無規(guī)則信號的影響，這些來自放大電路內(nèi)部或外界無規(guī)則的信號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相比較時，放大電路輸出端有用信號將被它們所“淹沒”，或者說放大后的有用信號已難以在輸出電壓中被檢測出來了。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題。下面給出OP37的三個主要參數(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），進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，不包含相位信息，與相位無關(guān)。所以，我們采用由OP37構(gòu)成的同相放大器來實現(xiàn)對輸出信號的放大。下面我們給出該運放電路的原理圖：

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)的電阻比值來決定。此時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 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時的相差為?=0.845-0.844967=0.05mV

Φ= 10時的相差為?=0.845-0.844871=0.129mV

Φ= 20時的相差為?=0.845-0.844485=0.515mV

通過觀察上面的三組數(shù)據(jù)知道?的值非常小，只達(dá)到mV級別，根本無法識別，該模塊將對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，把它放大到以V為單位，這樣我們就可以容易測量出它的值。下面我們就來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量出來的，所以，我們需要一個放大倍數(shù)為5000的放大器。在此，我們采用級聯(lián)放大電路來實現(xiàn)。用兩個OP37同相放大器，第一級電壓增益Avf1為100，第二級電壓增益Avf2為50。級聯(lián)后Avf=Avf1×Avf2= 5 000 達(dá)到要求。下面來確定元件參數(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的兩級同相放大器：

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了對兩路10MHZ正弦信號中 0 .10到 1 00相差的精確檢測，并最終用可識別的電壓來表征相差的大小。在高頻環(huán)境下，能夠穩(wěn)定輸出，計算誤差小，低失真。乘法電路和高精度運放電路都能夠穩(wěn)定工作，各模塊性能都達(dá)到設(shè)計要求。對系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試，工作穩(wěn)定、性能良好，具有高的實時性、檢測精度和抑制噪聲能力，能很好的實現(xiàn)在高頻環(huán)境下，對很小相差的高精度測量。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。 隨著相位測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國防、科研、生產(chǎn)、醫(yī)療等各個領(lǐng)域，對相位測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)，相位測量在醫(yī)療部門有著尤其重要的意義。

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