專利名稱：寬頻0-360°移相器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種寬頻0-360°移相器，它特別適用于微弱信號檢測儀器一鎖相放大器中，目前一般的移相電路只具單頻性。國外的一些鎖相放大器中，雖然使用了寬頻移相器，但結構復雜，如英國BrooKdel 402型鎖相放大器的移相電路，用多達四大塊印制電路，140只晶體管和二極管構成；美國EVANS 4114是相當簡易的相位控制單元，也使用了26個組件和13只晶體管，本實用新型的目的在于克服上述的缺點，提供一種寬頻率范圍，相位0-360°可調，精度高，工作穩定，調試簡單，性能價格比高，簡單實用的移相器。
本實用新型提供的寬頻0-360°移相器由過零檢測器[1]、45°-145°可調相位移相器[2]、0°/90°/180°/270°象限轉換器[3]組成，各單元的線路連接、單元之間的連接及波形請見附
圖1至5，當輸入為TTL電平的信號，它的上升沿作為初始相位Φ0，則輸出為TTL電平的方波Φ，Φ值可相對于Φ0在0-360°范圍內調節，如輸入為正弦信號，則需插入一個過零檢測器，整形成TTL電平，45°-145°可調相位移相器[2]的工作原理如圖2所示，各點波形如圖3所示，圖2中，甲、乙、丙分別為積分器、比較器和雙穩態電路，當輸入頻率信號到點k時，使點L為低電平，模擬門SW斷，I1對電容器C充電，點m處電平上升；當點m處電平Vc達到門控電平V＝2v時，比較器翻轉，點n處產生復位脈沖，使點l為高電平，SW通，(I2－I1)對電容器C放電，點m處電平Vc下降；如此往返，根據電荷平衡原理，充電電荷I1T1，與放電電荷(I2－I1)T2應相等，即I1·T1＝(I2－I1)T2，其中，I1=V-R1]]>I=V+R2]]>如信號周期 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°象限轉換器[3]利用鎖相環集成電路，根據鎖相環原理，可以通過附加分頻器產生信號頻率的四倍頻信號，對它的倍頻信號進行邏輯組合，可以合成信號頻率的0°/90°/180°/270°移相信號，本象限轉換器中，只用了鎖相環和74HC74兩個普通集成電路，即僅利用一個變形的四分頻器，即可直接產生0°/90°/180°/270°的移相信號，本實用新型具有頻率范圍寬，相位可以在0-360°范圍內任意調節，線路結構簡單，但精度較高，工作穩定，裝配調試簡單，性能價格比高，是一種簡單實用的寬頻0-360°移相器，
以下結合附圖1至5所表示的實施例1對本實用新型進行詳細描述，圖1是本實用新型的原理方框圖，圖2是本實用新型的45°-145°移相器的工作原理圖，圖3是本實用新型45°-145°移相器各點對應的波形圖，圖4是本實用新型優先選用的原理電路圖，圖5是本實用新型優先選用的原理電路圖各點對應的波形圖，實施例145°-145°可調相位移相器[2]如附圖4上半部所示，各點對應波形為圖5中的a-e，積分器運算放大器(U1)采用場效應輸入運放CA3130，如工作在低頻率時，則選用輸入偏流很小的MOS EFT輸入的運放，如工作頻率高于100KC/S，則采用高速運放，SW采用低價通用模擬開關CD4066(U2)，積分電容值可根據工作頻率選用如C1＝10μ時，頻率范圍為10Hz至400Hz，充、放電電壓取自±6V電源，分別經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°相位的校準電阻，VR2為145°的校準電阻，VR為45°-145°的調節電位器，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R2和RV2連至VR的中心點，VR的兩端分別與正電源電壓和地相連，反相輸入端經R3連至負電源電壓，反相輸入端經積分器電容C1連至其輸出端，雙穩態電路與比較器中，主要由G1、G2和R4(100Ω)、C3(100P)組成脈沖縮窄電路，使附圖4中點a處的輸入方波轉為點b處的負脈沖，G1的兩個和G2的一個輸入端相短接，輸入信號點a即加至該端，G1的輸出經R4和C3形成的微分級后加至G2的另一輸入端，G2的輸出點b加至變形雙穩態級，主要由G3、G4和R5(1K)組成變形雙穩態電路，G3的輸出和G4的兩個輸入端相短接，G3的另一輸入端點e和G4的輸出端點c之間用R5相跨接，主要由普通硅開關二極管D1、D2與G3、G4及負向下拉電阻R6(4.7K)一起組成電壓比較器，D1、D2的負端和點e相連，D1的正端和點c相連，D2的正端連至運放U1的輸出端點d，R6的一端連至點e，另一端連至負電源電壓，模擬門U2的輸入端經R1和RV1連至正電源電壓，輸出端加至運放U1的反相輸入端，其控制端連至變形雙穩態輸出點c，當點h處出現負脈沖時，G4輸出點c為低(0.3V)，U2關斷，積分器充電；由于下拉電阻R6，使點e處為-0.3V左右，D1通，D2斷，當積分器正向充電使輸出點d高于+0.3V后，則D2通，D1斷，直至點d達到+2.0V時，則點e達+1.4V，抵達G3的門檻電平。由于G3、G4的強烈正反饋作用，迅速使G4輸出點c為高(＞3V)，使D1通導，D2關斷，積分器反向放電，直至下一個點b處脈沖的到來。
此處的G1、G2、G3、G4只用了一個普通的四與非門74LS00組成，不采用專門電源，而由用于積分器運放的同一+6V供電。這樣既供電簡單，又省卻了通常G4驅動模擬門時所需的電平轉換。
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，用三個不同的C1值即可覆蓋1Hz至100KHz的頻率范圍。
相位值的校驗用示波器或相位計觀測點Q與點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調至順時針端，使Va＝0V，調RV1，使相位指示為45°；再將VR調至逆時針端，使Va＝+6V，調RV2使相位指示為145°固定RV1、RV2值，通過調整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。對應各點波形為圖5的f-j。
由45°-145°移相級產生的移相信號(附圖4中的點c)的上升沿作為鎖相環U3的輸入信號，加至相鑒器(PD)端。U3的VCO的輸出(附圖4中點g)端連至一個用74BC74(U4)組成的變形四分頻器，它的輸出反饋至PD端，即可構成0°/90°/180°/270°相位的四路輸出，附圖4中點f、點h、點j、點i分別為45°＋0°、45°＋270°、45°＋180°和45°＋90°移相輸出信號，環路濾波器由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。
整個電路，包括模擬電路和數字電路的供電是采用統一的經過穩壓的±6V電源。
45°-145°移相信號點c和U4的Q2輸出信號點f分別連至相鑒器的兩個輸入端。U3的VCO輸出點g連接U4的C1。相鑒器的輸出經由R7、R8和C4組成的環路低通濾波器加至VCO的輸入，鎖相環的頻率捕獲范圍由加至在VCO相應部位的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g，Q2加至相鑒器的一個輸入端。Q1(點i)為45°＋90°信號輸出；Q1(點h)為45°＋270°信號輸出；Q2(點f)為45°＋0°信號輸出；Q2(點j)為45°＋180°信號輸出。
權利要求1.一種寬頻0-360°移相器，它特別適用于微弱信號檢測儀器--鎖相放大器中，包括過零檢測器，其特征在于a.由G1、G2、R4和C3組成脈沖縮窄電路，G1的兩個和G2的一個輸入端相短接，輸入信號點a即加至該端，G1的輸出經R4和C3形成的微分級后加至G2的另一輸入端，G2的輸出點b加至變形雙穩態級，b.G3、G4和R5組成變形雙穩態電路，G3的輸出和G4的兩個輸入端相短接，G3的另一輸入端點e和G4的輸出端點c之間用R5相跨接，c.D1、D2、G3、G4和負向下拉電阻R6一起組成電壓比較器，D1、D2的負端和點e相連，D1的正端和點c相連，D2的正端連至運放U1的輸出端點d，R6的一端連至點e，另一端連至負電源電壓，d.模擬門U2的輸入端經R1和RV1連至正電源電壓，輸出端加至運放U1的反相輸入端，其控制信號來自變形雙穩態輸出點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R2和RV2連至VR的中心點，VR的兩端分別與正電源電壓和地相連，反相輸入端經R3連至負電源電壓，反相輸入端經積分器電容C1連至其輸出端，f.45°-145°移相器[2]信號點c和U4的Q2輸出信號點f分別連接相鑒器的兩個輸入端，U3的VCO輸出點g連接U4的C1，相鑒器的輸出經由R7、R8和C4組成的環路低通濾波器加至VCO的輸入，鎖相環的頻率捕獲范圍由加至VCO相應部位的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g，Q2加至相鑒器的一個輸入端，h.Q1(點i)為45°＋90°信號輸出；Q1(點h)為45°＋270°信號輸出；Q2(點f)為45°＋0°信號輸出；Q2(點j)為45°＋180°信號輸出。
專利摘要本實用新型涉及一種寬頻0-360°移相器，它特別實用于微弱信號檢測儀器——鎖相放大器。目前一般的移相電路只具有單頻性，國外的鎖相放大器中，雖用了寬頻移相器，但結構復雜，而本實用新型僅用了5只通用組件和2只二極管。本實用新型工作穩定，不但精度高，而且性能價格比高，寬頻，0-360°可調相位，是一種簡單實用的移相器。
文檔編號H03H11/16GK2239101SQ95213508
公開日1996年10月30日 申請日期1995年6月21日 優先權日1995年6月21日
發明者毛韻瑗 申請人:中國科學院物理研究所