第5章 模拟移相网络的设计.ppt

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。 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: (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）。 (3) A4构成同相放大电路，其电压放大倍数大于1。UB与Uo同相。 (4)A3是电压跟随器。UA与Ui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。  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，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°。 (2) 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。 (3) 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。 (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Uo min= 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0.3~5 V，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≤UB max≤1.414Ui 。 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20 Hz～20 kHz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20 Hz～20 kHz频率范围比较），保证R=1/ωC。电容参数的选择如表5.1所示。 由表5.1可以确定电阻R，不妨令R=300 Ω+（0～10） kΩ ，即取一个300 Ω的固定电阻，一个10 kΩ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 Ω+（0～10） kΩ，其中两个10 kΩ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 kΩ；为了保证运放U1D的电压放大倍数为2，取R1=R2=10 kΩ；J1、J2是移相信号输入、输出插座。容值为2.2 μF、0.22 μF、0.022 μF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0.3～5 V范围内变化，不妨假设Ui的峰—峰值