一种基于运算放大器的线性相位计电路研究与设计

发布时间：2019-05-06 17:23所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要：模拟电子作为现代化工业控制器的重要组成部分，已经在电力交通、通信网络、工业生产等领域得到了广泛应用，实现了对模拟信号的传输、放大、缩小，模拟现实世界客观信息传输模式，开发了多种电子器件，实现电气工程自动化。因此，目前许多学校开设了模

　　摘要：模拟电子作为现代化工业控制器的重要组成部分，已经在电力交通、通信网络、工业生产等领域得到了广泛应用，实现了对模拟信号的传输、放大、缩小，模拟现实世界客观信息传输模式，开发了多种电子器件，实现电气工程自动化。因此，目前许多学校开设了模拟电路课程，本文基于笔者多年的教学实践，描述了一种基于运算放大器的线性相位设计电路的原理、操作和实验结果，为模拟电路设计提供了一种创新性的方法和模式，创新模拟电路教学方法，进一步提高学生培养质量。

　　关键词：运算放大器;线性相位;模拟电路;设计

　　模拟电路是指由电容、电阻和晶体管共同组成的、可以处理模拟信号的集成电路，这些电路可以实现多个处理功能，比如锁相环、运算放大器、电源管理芯片、模拟乘法器等，这些模拟电子是计算机技术、自动化技术发展的基础，已经在很多领域得到广泛应用，利用模拟电子技术可以模仿农业、工业等各个方面的客观现象，大幅度提高各领域的生产效率，降低生产成本，同时还可以实现经济的可持续发展[1]。

　　许多学校也开设了模拟电子技术课程，作为一门专业基础课程，其可以为计算机系统结构、计算机应用、通信与信号、电气工程自动化、机械自动化等专业课打下坚实的基础，让学生能够知其然并且知其所以然。目前，随着模拟电子技术的不断推进和发展，模拟电子也开始向系统化、通用化方向发展，模拟电子器件也开始向集成化和多样化发展[2]。

　　模拟电路课程教学中，有限的学时无法让学生充分地掌握电路设计、芯片选择、元件参数计算等知识，因此学生的实践创新能力比较弱，无法满足政企单位的实际应用需求[3]。因此，为了增强学生独立的创作能力，本文提出一个相位测量电路设计项目，该实践项目适用于模拟电路线性相位检测，可以检测电路输出的相位差的绝对值。

　　1基于运算放大器的线性相位计电路设计

　　1.1设计原理

　　模拟电路经过多年的研究和发展，其可以划分为三个关键类别，这些类别分别是通用型模拟电路、专用型模拟电路和单片集成系统。通用型模拟电路包括模数与数模转换器、相乘器、锁相环路、运算放大器、有源滤波器;专用型电路包括录像机、音响系统、通信系统和电视接收机;单片集成系统包括单片发射机和接收机。

　　随着工艺水平的提高和改进，模拟电路的设计水平也得到了极大改进，模拟电路设计时采用的EDA工具、Foundry工艺PDK等经过一系列的研究和提升，模拟电路已经进入到了新时代，可以保证模拟电路最大化应用。模拟电路设计也逐渐从整体系统的角度出发，将信息处理机制、芯片架构、模型算法、智能核等有效的整合在一起，可以在单个或少数芯片上完成整个系统的处理功能，也可以将越来越多的电路功能集成在一个微小的芯片中。

　　模拟电路设计过程中，常见的非线性电路包括很多，比如定时器、振荡器、锁相环电路等，这些非线性电路典型的应用场景包括温度、湿度、光线、声音、视频等采集，因此为了提高这些信息的采集精确度，需要利用相位测量方法度量模拟电路设计的准确度和可靠性。相位测量是当前电力传输信号的测量方法之一，相位检测电路输出值通常是相位差的绝对值，如果相位存在超前或滞后等现象，就需要进行额外附加判断。

　　输入、输出电压之间的相位差通常是一个非线性的分段函数，因此相位测量在许多应用中并不方便，可见设计一个相位检测电路非常必要。检测电路为正弦信号的相位差，通常可以将两个正弦信号变换为方波信号，然后测量这两个方波信号之间的相位差[4]。比如，本文可以使用A和B分别描述两路电路信号的方波，两路方波之间的时间差为Δt，电路信号的周期设置为T，则相位差可以使用公式1计算。

　　360/ABϕ=∆tT(1)其中，如果A的上升沿超前于B的上升沿，则Δt就是一个正值，ϕAB也是正值;否则，Δt就是一个负值，此时ϕAB也是负值。实际应用中，相位检测电路采用异或门与低通滤波器有效组成，也即是A和B两路检测电路信号异或操作后进行平均，然后将平均值通过信号A的低通滤波器，但是这种电压值无法确定超前或者滞后，因此不利于电路检测的准确度。

　　为了解决这个问题，本文设计针对检测电路进行了改进：A信号上升沿到来时输出高电平，B信号下降沿到来时输出低电平，经过低通滤波器输出的变换电压就是线性函数。本文利用上述原理设计一个线性相位检测电路，电路设计过程简单，成本也非常低，可靠性非常高，只需要一个四运放就可以检测正弦信号的相位差[5]。

　　1.2电路设计

　　目前，线性相位差波形变换电路非常多，为了能够更加直观地展现本文的设计原理，本文以数字逻辑电路为基准进行设计，采用一种四运放设计线性相位计。其中，符号A1、符号A2、符号R1-R6和符号C1-C4能够构成一个比较器，这个比较器可以将正弦波转换为方波，符号C5、C6和R7-R10表示微分电路，可以提取两个方波的跳变沿;D1和D2表示引导电路，可以使一路上升沿通过，同时也可以使另一路下降沿通过;A3和R11-R15表示施密特触发电路，这个电路包括两个稳定状态，可以看作为一个触发器，使用边沿触发、翻转这个触发器电路就可以实现相位检测功能。

　　A3输出的电压信号可以经过低通滤波器滤掉较高的成分，输出的直流值可以表示每一个相位值。其中，①和②分别表示正弦波，③和④分别表示转换后的方波，⑤和⑥分别表示跳变沿，⑦表示下降沿通道，⑧表示输出的电压信号。

　　1.3实验数据分析

　　本文使用模拟电路信号发生器生成两路正弦信号，可以调节这两路正弦信号的相位差。实验结果表明，相位差处于+50°和-50°之间时，相位检测电路输出的电压线性度非常好，此时基于运算放大器的线性相位计电路也比较符合输入输出的特性曲线，使用示波器就可以更好地观测每一个点的电压波形，证明本文基于运算放大器的线性相位检测结果是准确的，也验证了设计原理。

　　2结束语

　　模拟电路设计过程中，相位检测是一个非常重要的课题，使用的方法也非常多，比如使用示波器策略;将信号相位差转换为时间间隔，测量时间间隔后进行计算获得相位差;将相位差转换为电压，先测量电压再进行计算转换为相位差。相位检测电路设计就显得非常重要，可以将设计好的电路进行实验，与已有的成熟技术进行对比，验证设计的电路是否准确。

　　基于运算放大器的线性相位计电路可以利用运算放大器实现边沿触发器功能，构思非常巧妙，能够利用四运放检测两路正弦信号的整形、相位差变换，可以更好地实现理论联系实际、电路设计和实验结果验证，从而能够证明本文提出的原理值准确的，通过检测电路设计这个过程，可以增强学生模拟电路设计的综合创新实践能力，满足当前社会创新型、实践型人才需求。

　　参考文献*

　　[1]陈昊,王瑞超,梁慧敏,等.极化继电器模拟容性负载试验电路设计与研究[J].电器与能效管理技术,2016(9):8-12.*

　　[2]吴会丛,王金泽,周万珍.基于容错测试的高鲁棒性模拟电路演化设计[J].高电压技术,2016,42(5):1386-1393.*

　　[3]张克,贺国,张超杰.一种模拟电路动态电源电流信号测量电路设计与实验验证[J].舰船电子工程,2017,37(4):93-97.*

　　[4]彭小峰,万文略.基于运放的多组态模拟放大电路设计[J].实验科学与技术,2016,14(3):25-29.*

　　[5]刘希高,凌春晖,吕馥言,等.基于HCNR201的高精度模拟信号隔离电路设计[J].仪表技术与传感器,2017(1):147-150.

　　相关电路刊物推荐：《电路与系统学报》(双月刊)是经过中国国家科委审定的高级学术刊物，由中国电子学会电路与系统专业学会支持，1996年创刊，在国内外公开发行。本刊主要刊登电路与系统学科内具有重要理论与技术意义的、创新的和高水平的学术论文与技术报告，是电路与系统学科以及相关学科内的科研技术人员、高等学校教师及研究生、各级科研及高新技术产业管理人员阅读和参考的重要期刊，是各级科技图书情报机构和信息机构不可少的订藏刊物。

　　

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