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一种宽带90°移相器

阅读:468发布:2020-07-26

专利汇可以提供一种宽带90°移相器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种宽带90° 移相器 ,包括 电阻 R5、电阻R3、电容C2、 运算 放大器 A1、一个 电流 可控电阻单元、一个 相位 差/电流转换单元。所述电阻R5、电阻R3、电容C2、 运算放大器 A1与所述电流可控电阻单元,构成移相 电路 。所述 相位差 /电流转换单元接收输入 信号 Uin和运算放大器A1的 输出信号 Uo,将两路信号相位差转换成电流输出。所述电流可控电阻单元接收相位差/电流转换单元的输出电流,将电流变化转换成电 阻变 化,控制所述移相电路的输出信号相位,保证所述移相电路 输入信号 与输出信号相位差为90°。本 发明 移相器在较宽 频率 范围内、对输入频率变化的正弦信号、可自适应 跟踪 频率变化实现不同频率下90°移相。,下面是一种宽带90°移相器专利的具体信息内容。

1.一种宽带90°移相器,包括电阻R5、电阻R3、电容C2、运算放大器A1、一个电流可控电阻单元、一个相位差/电流转换单元;其特征在于:
所述电阻R5一端连接所述相位差/电流转换单元,电阻R5另一端连接电阻R3一端、运算放大器A1的反向输入端,电阻R3另一端连接运算放大器A1的输出端;
所述电容C2一端连接电阻R5一端,电容C2另一端连接所述电流可控电阻单元、运算放大器A1的同向输入端;
所述运算放大器A1的输出端连接所述相位差/电流转换单元,所述相位差/电流转换单元连接所述电流可控电阻单元;
所述电阻R5、电阻R3、电容C2、运算放大器A1与所述电流可控电阻单元,构成移相电路
所述相位差/电流转换单元接收输入信号Uin和运算放大器A1的输出信号Uo,将两路信号相位差转换成电流输出;
所述电流可控电阻单元接收相位差/电流转换单元的输出电流,将电流变化转换成电阻变化,控制所述移相电路的输出信号相位,保证所述移相电路输入信号与输出信号相位差为90°。
2.根据权利要求1所述一种宽带90°移相器,其特征在于:所述电流可控电阻单元包括光敏电阻R、发光二极管D1,发光二极管D1与光敏电阻R透明窗粘接在一起,并用热缩管进行封装,形成一个4端口元件;
其中端口①和端口②分别为:发光二极管D1阳极、发光二极管D1阴极
端口①接所述相位差/电流转换单元的电流输出端Iout;
端口②接地;
端口③、端口④为光敏电阻R输出引脚,其中端口③接运算放大器A1的同向输入端,端口④接地。
3.根据权利要求1所述一种宽带90°移相器,其特征在于:所述相位差/电流转换单元包括:
电阻R1、电阻R4和比较器A2构成的第一路比较器;
电阻R9、电阻R6和比较器A3构成的第二路比较器;
所述第一路比较器的输出端连接二输入与U1A的两个输入端;
第一路比较器、第二路比较器的输出端,分别连接二输入与门U1B的两个输入端;
电阻R2与电容C1连接,构成第一路与门输出的低通滤波器
电阻R10与电容C3连接,构成第二路与门输出的低通滤波器
两路低通滤波后的输出信号,分别接入由运算放大器A4和运算放大器A5构成的两路电压跟随器:第一路电压跟随器、第二路电压跟随器;
所述第一路电压跟随器输出电压经过由电阻R8、R7构成的分压网络后、与第二路电压跟随器输出电压一起,接入运算放大器A6;
运算放大器A6输出端连接由电阻R11、电阻R13与PNP三极管Q1构成的电流放大电路,所述电流放大电路的Iout连接电流可控电阻单元的端口①。
4.采用如权利要求1-3任意一种移相器的一种宽带90°移相方法,其特征在于:
电阻R1、R4,比较器A2构成第一路比较器,第一路比较器将输入正弦信号Uin变为占空比为50%的TTL方波信号,该输出方波信号分别接入二输入与门U1A的1和2引脚和二输入与门U1B的4引脚,U1A输出引脚3的波形与输入引脚1和2的波形完全一致,为占空比为50%的方波;U1A的3引脚输出占空比50%的方波经过R1和C1低通滤波之后,在放大器A4的正输入端3脚产生VCC/2的直流电压,取R8=R7,该直流电压经过由放大器A4构成的电压跟随器以及由R8,R7构成的分压网络后,在放大器A6的负输入端3脚产生VCC/4的直流电压。
5.采用如权利要求1-3任意一种移相器的一种宽带90°移相方法,其特征在于:
电阻R9、R6,比较器A3构成第二路比较器,第二路比较器将移相电路输出正弦信号Uo变为TTL方波,该输出方波信号接入二输入与门U1B的5引脚,假定Uin与Uo的相位差为 则在U1B的输出引脚6产生高电平为 的矩形波,其波形的占空比为 U1B的
6引脚输出占空比 的方波经过R10和C3低通滤波之后,在放大器A5的正输入端3脚产生 的直流电压,改直流电压经过由放大器A5构成在电压跟随
器后,输入到放大器A6的正输入端。
6.采用如权利要求1-3任意一种移相器的一种宽带90°移相方法,其特征在于:
放大器A6为作为误差放大器,将第一路输出的直流电压VCC/4与第二路输出的直流的差值进行放大,放大后的电压信号作用于由R11与Q1构成的电流放
大器,输出电流信号,该电流信号注入到所述电流可控电阻的①端口,以控制电流可控电阻③和④端口之间的阻值;由于放大器A6处于开环工作状态,当且仅当第一路输出的直流电压VCC/4与第二路输出的直流电压 相等时,放大器A6输出电压不再变
化,此时可算出 即Uin与Uo的相位差为90°。
7.采用如权利要求1-3任意一种移相器的一种宽带90°移相方法,其特征在于:当输入信号Uin的频率发生变化时,移相电路的输入信号Uin与输出信号Uo的相位差不为90°,则运算放大器A6的第一路输出的直流电压VCC/4与第二路输出的直流电压
不相等,运算放大器A6的输出电压降作用于由电阻R11与三极管Q1构成的电流放大电路产生电流,以调整电流可控电阻单元的输出电阻值,进而改变输入信号Uin与输出信号Uo的相位差,直至两者相位差为90°,即;运算放大器A6的第一路输出的直流电压VCC/4与第二路输出的直流电压 相等为止。
8.如权利要求1-3任意一种移相器,其特征在于:用于对交流正弦信号进行90°精确移相。
9.如权利要求1-3任意一种移相器,其特征在于:用于铯光仪的宽带移相网络。

说明书全文

一种宽带90°移相器

技术领域

[0001] 本发明一种宽带90°移相器,用于对交流正弦信号进行90°精确移相。

背景技术

[0002] 光仪是一种弱磁测量仪器,以某些气态金属原子(39K,87Rb,133Cs等)或某 些惰性气体(3He,4He)原子在外磁场中的塞曼效应为基础,在光抽运和射频磁场共同作用 下,使原子发生光磁共振现象,根据射频磁场频率即可确定外磁场大小,根据工作方式不 同,可分为跟踪式和自激振荡式。两种结构磁力仪均需对输出信号移相90°后反馈到传感 器吸收室,使吸收室中的工作物质通过吸收的方式对光的强度进行调制,利用光敏二极管 检测到被调制光的强度变化频率,该频率与外磁场成正比,进而可得到待测磁场值。移相 误差会引起磁场测量误差,所以高精度宽带90°移相网络的设计是光泵磁力仪的关键技术 之一。
[0003] 用于地磁场测量的铯光泵磁力仪,需要在50KHz-350KHz范围内可自适应频率变化的 精确90°移相电路,即要求电路输入频率在50KHz-350KHz范围内任意变化时,其输出信 号相位差一直滞后于输入信号90°。目前的移相电路大多是针对频率范围较窄或某一固定 频率的信号进行移相。如申请号为“201410411245.3”的专利描述了一种借助于积分与比 较器原理的移相电路,由于积分的充放电过程需要时间,所以无法对频率高于10KHz的信 号进行精准90°移相。除此之外,还有利用RLC网络实现的移相电路,通过调节R、L、 C三个参数,这种移相网络能对固定的频率点进行精确90°移相,一旦频率发生变化,则 移相度将会偏离90°,故无法实现宽带范围内自适应频率变化的90°移相。除此之外, 在其它工程应用领域也需宽频带范围内的90°移相器。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足,提供一种在较宽频率范围内、对输入 频率变化的正弦信号、可自适应跟踪频率变化实现不同频率下90°移相的一种宽带90° 移相器,该移相器可以用于铯光泵磁力仪的宽带移相网络,也可用于其它类似场合。
[0005] 本发明采取的技术方案为:
[0006] 一种宽带90°移相器,包括电阻R5、电阻R3、电容C2、运算放大器A1、一个电流 可控电阻单元、一个相位差/电流转换单元。
[0007] 所述电阻R5一端连接所述相位差/电流转换单元,电阻R5另一端连接电阻R3一端、 运算放大器A1的反向输入端,电阻R3另一端连接运算放大器A1的输出端;
[0008] 所述电容C2一端连接电阻R5一端,电容C2另一端连接所述电流可控电阻单元、运 算放大器A1的同向输入端;
[0009] 所述运算放大器A1的输出端连接所述相位差/电流转换单元,所述相位差/电流转换单 元连接所述电流可控电阻单元;
[0010] 所述电阻R5、电阻R3、电容C2、运算放大器A1与所述电流可控电阻单元,构成移相 电路;
[0011] 所述相位差/电流转换单元接收输入信号Uin和运算放大器A1的输出信号Uo,将两路 信号相位差转换成电流输出;
[0012] 所述电流可控电阻单元接收相位差/电流转换单元的输出电流,将电流变化转换成电阻 变化,控制所述移相电路的输出信号相位,保证所述移相电路输入信号与输出信号相位差 为90°。
[0013] 所述电流可控电阻单元包括光敏电阻R、发光二极管D1,发光二极管D1与光敏电阻R 透明窗粘接在一起,并用热缩管进行封装,形成一个4端口元件;
[0014] 其中端口①和端口②分别为:发光二极管D1阳极、发光二极管D1阴极
[0015] 端口①接所述相位差/电流转换单元的电流输出端Iout;
[0016] 端口②接地;
[0017] 端口③、端口④为光敏电阻R输出引脚,其中端口③接运算放大器A1的同向输入端, 端口④接地。
[0018] 所述相位差/电流转换单元包括:
[0019] 电阻R1、电阻R4和比较器A2构成的第一路比较器;
[0020] 电阻R9、电阻R6和比较器A3构成的第二路比较器;
[0021] 所述第一路比较器的输出端连接二输入与U1A的两个输入端;
[0022] 第一路比较器、第二路比较器的输出端,分别连接二输入与门U1B的两个输入端;
[0023] 电阻R2与电容C1连接,构成第一路与门输出的低通滤波器
[0024] 电阻R10与电容C3连接,构成第二路与门输出的低通滤波器
[0025] 两路低通滤波后的输出信号,分别接入由运算放大器A4和运算放大器A5构成的两路电压 跟随器:第一路电压跟随器、第二路电压跟随器;
[0026] 所述第一路电压跟随器输出电压经过由电阻R8、R7构成的分压网络后、与第二路电压跟 随器输出电压一起,接入运算放大器A6;
[0027] 运算放大器A6输出端连接由电阻R11、电阻R13与PNP三极管Q1构成的电流放大电路, 所述电流放大电路的Iout连接电流可控电阻单元的端口①。
[0028] 与现有90°移相器或移相电路相比较,本发明一种宽带90°移相器,技术效果如下:
[0029] 1、移相精度高:该电路移相精度是由放大器正负输入端电压差是否为零决定,若为零, 则相位差为90°,而根据运算放大器虚断原则,其正负输入端必须一致,否则将会在极大 增益条件下产生输出较大电压输出,从而控制移相电路进行相位调整,相位调整的结果即 可调整放大器输入电压差,最终使输入电压差为零,因此该电路移相精度高。
[0030] 2、移相范围宽:在选定电容的条件下,可对在所选电子元器件工作极限范围内的任意频 率的输入正弦信号实现90°精确移相。
[0031] 3、响应跟踪速度快:一旦输入正弦信号频率发生变化,引起输入信号与输出信号相位差 偏离90°,由于运算放大器工作在开环状态,其开环增益极大,所以对相位差调整的控制 速度非常快,相位差将快速回归到90°。附图说明
[0032] 图1为本发明所述宽带90°移相器结构图。
[0033] 图2为本发明所述电流可控电阻单元原理图。
[0034] 图3为本发明所述相位差/电流转换单元电路图。

具体实施方式

[0035] 如图1所示,为了实现上述发明目的,本发明采用的技术方案:一种宽带90°移相 器,包括电阻R5、R3,电容C2,运算放大器A1,一个电流可控电阻单元和一个相位差/ 电流转换单元。电阻R5、R3,电容C2,运算放大器A1与电流可控电阻单元构成移相电 路,该移相电路的输入信号与输出信号的相位差受相位差/电流转换单元输出电流控制。
[0036] 所述电阻R5、R3,电容C2,运算放大器A1与电流可控电阻单元构成移相网络,根 据运算放大器虚短虚断原理,取R5=R3,移相网络要实现90°移相必须满足如下条件:
[0037]
[0038] 式中:f为输入正弦信号频率,R为电流可控电阻单元的电阻值。一旦电容C2选定后, 针对不同的输入频率f,要使输入信号与输出信号保持90°相位差,R必须根据不同的输 入频率进行调整。
[0039] 所述电流可控电阻单元由光敏电阻R与发光二极管D1构成,将发光二极管与光敏电 阻透明窗粘接在一起,并用热缩管进行封装,形成一个4端口元件,其中端口①和②为发 光二极管的阳极和阴极,其中端口①接所述相位差/电流转换单元的电流输出Iout,端口② 接地;端口③和④为光敏电阻输出引脚,其中端口③接放大器A1的负输入端,端口④接 地。由于整个器件处于密封状态,光敏电阻不受光照,端口③和④输出电阻极大。对端口 ①注入电流,端口②接地后,由于发光二极管发光,光线照射在光敏电阻上,使得光敏电 阻阻值随发光二极管的发光强度变化而改变,因此改变注入端口①的电流大小,即可改变 发光二极管发光强度,达到改变端口③和④输出电阻的目的。
[0040] 所述相位差/电流转换单元包括:电阻R1、R4和比较器A2构成第一路比较器,电阻 R9、R6和比较器A3构成第二路比较器;第一路比较器的输出接二输入与门U1A的两个 输入端,第一路与第二路比较器的输出分别接入二输入与门U1B的两个输入端;电阻R2 与电容C1构成第一路与门输出的低通滤波器,电阻R10与电容C3构成第二路与门输出 的低通滤波器;两路低通滤波后的输出信号分别接入由运算放大器A4和A5构成的两路电 压跟随器;第一路跟随器输出电压经过由电阻R8、R7构成的分压网络后,与第二路随器 输出电压一起接入运算放大A6;运算放大A6输出连接由电阻R11、R13与PNP三极管 Q1构成的电流放大电路,电流放大电路的Iout连接电流可控电阻单元的端口①。
[0041] 电阻R1、R4,比较器A2构成第一路比较器,第一路比较器将输入正弦信号Uin变为 占空比为50%的TTL方波信号,该输出方波信号分别接入二输入与门U1A的1和2引脚 和二输入与门U1B的4引脚,U1A输出引脚3的波形与输入引脚1和2的波形完全一致, 为占空比为50%的方波。U1A的3引脚输出占空比50%的方波经过R1和C1低通滤波之 后,在放大器A4的正输入端3脚产生VCC/2的直流电压,取R8=R7,该直流电压经过由 放大器A4构成的电压跟随器以及由R8,R7构成的分压网络后,在放大器A6的负输入端 3脚产生VCC/4的直流电压。
[0042] 电阻R9、R6,比较器A3构成第二路比较器,第二路比较器将移相电路输出正弦信号 Uo变为TTL方波,该输出方波信号接入二输入与门U1B的5引脚,假定Uin与Uo的相 位差为则在U1B的输出引脚6产生高电平为 的矩形波,其波形的占空比为 U1B的6引脚输出占空比 的方波经过R10和C3低通滤波 之
后,在放大器A5的正输入端3脚产生 的直流电压,改直流电压经 过由
放大器A5构成在电压跟随器后,输入到放大器A6的正输入端。
[0043] 放大器A6为作为误差放大器,将第一路输出的直流电压VCC/4与第二路输出的直流  的差值进行放大,放大后的电压信号作用于由R11与Q1构成的电流 放大器,输出电流信号,该电流信号注入到所述电流可控电阻的①端口,以控制电流可控 电阻③和④端口之间的阻值。由于放大器A6处于开环工作状态,当且仅当第一路输出的 直流电压VCC/4与第二路输出的直流电压 相等时,放大器A6输出电 压不
再变化,此时可算出 即Uin与Uo的相位差为90°。
[0044] 当输入信号Uin的频率发生变化时,移相电路的输入信号Uin与输出信号Uo的相位 差不为90°,则放大器A6的第一路输出的直流电压VCC/4与第二路输出的直流电压 不相等,放大器A6的输出电压降作用于由R11与Q1构成的电流放 大器产生电流,以调整电流可控电阻的输出电阻值,进而改变Uin与Uo的相位差,直至 两者相位差为90°,即放大器A6的第一路输出的直流电压VCC/4与第二路输出的直流电  压相等为止。
[0045] 由于用于地磁场测量的铯光泵磁力仪需要在50KHz-350KHz范围内对输出信号移相90° 后反馈到传感器,从而形成一个自激振荡系统,振荡输出频率正比于外磁场。而本发明一 种宽带90°移相器,可以用于铯光泵磁力仪的宽带移相网络。
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