CN113328727A - 一种宽带90°移相方法 - Google Patents
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Abstract
一种宽带90°移相方法，该方法包括一种移相器，所述移相器包括电阻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°。本发明移相方法在较宽频率范围内、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。
Description
技术领域
本发明一种宽带90°移相方法，用于对交流正弦信号进行90°精确移相。
背景技术
光泵磁力仪是一种弱磁测量仪器，以某些气态碱金属原子(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。
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，则移相角度将会偏离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
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。
本发明采取的技术方案为：
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°。
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。
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门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。
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：
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。
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。
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
图1为本发明所述宽带90°移相器结构图。
图2为本发明所述电流可控电阻单元原理图。
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
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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。
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°。
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。
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。
Claims (4)
1.一种宽带90°移相方法，其特征在于：电阻R1、R4，运算放大器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，在运算放大器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，在运算放大器A6的负输入端3脚产生VCC/4的直流电压。
2.一种宽带90°移相方法，其特征在于：
电阻R9、R6，运算放大器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，在运算放大器A5的正输入端3脚产生
的直流电压，改直流电压经过由运算放大器A5构成在电压跟随器后，输入到放大器A6的正输入端。
3.一种宽带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，运算放大器A6输出电压不再变化，此时可算出
即Uin与Uo的相位差为90°。
4.一种宽带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。
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