CN206389341U - 一种正弦波数字移相电路 - Google Patents
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Abstract
一种正弦波数字移相电路，其特征在于包括两乘法型D/A转换器、两ROM存储器、两跟随器、变压器，90º相移电路，其中一ROM存储器分别存储2n个数字角θ的余弦cosθ数据，另一ROM存储器分别存储2n个数字角θ的正弦sinθ数据,数字角θ所对应的n位二进制码同时作为两ROM存储器的相应的cosθ数据和sinθ数据的地址，两ROM存储器的输出分别与两乘法型D/A转换器的其中相应的数字输入端相连,其中一乘法型D/A转换器的参考电压输入端VR与被移相的模拟信号正弦波ksinωt相连，另一乘法型D/A转换器的参考电压输入端VR与正弦波的余弦式kcosωt相连,两乘法型D/A转换器的输出分别经跟随器隔离驱动，被平衡输入到变压器初级，变压器的次级输出为移相后的正弦波输出。本实用新型与已有技术相比，具有移相角度精度高、速度快,以及可以采用各种数字PID控制方法实现闭环反馈控制的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种数字移相电路，属电子信号测量及控制技术领域。
背景技术
移相器是一种两端口部件，主要功能是对传输信号的相位进行调整以满足系统的要求。移相器有模拟移相器和数字移相器，在噪声或干扰环境下跟踪微弱信号，这要求移相器具有移相精度高、抗干扰能力强并且易于控制等特点，模拟移相器由于原理结构的限制，已经不能满足设计要求，一般采用数字移相器。数字移相器是相敏检测、相位控制的核心部件,广泛用于航空、航天、航海等各种控制系统及通信系统,如雷达定向导航、坐标变换、火炮控制、微波仪器和测量系统、机床控制系统等各种工业用途中，在各种高精度线性功率放大器电路设计中，数字移相器也是主要电路。
目前用以实现数字移相器的电路主要有:开关型、DDS型等电路形式，传统的数字移相器主要由 PIN 开关二极管或铁氧体器件实现。设计简单易于实现，由于硬开关存在较大的开关损耗 ,限制了开关频率的提高，且受移相控制电路的影响，移相角度控制精度不高，该类移相器的缺陷是移相精度较低,其移相位数一般小于7,难以直接满足高精度相位控制和相位跟踪的系统要求。在传统的高精度相位控制设计中,通常要采用“虚位技术”来弥补这一不足 ,但其后果是造成相位控制电平的增高,对应用系统的抗干扰性能极为不利。虽然直接数字频率合成技术( direct digital synthesis,简写DDS)从相位的概念出发对信号进行合成, 采用了数字化结构, 具有精确的频率和相位分辨力、快速频率转换时间等特点，可构成高精度移相器件，但其要采用DDS芯片，或者采用DSP及FPGA芯片代替原来的传统的单片机构成的移相电路，以达到高精度移相的目的，但硬件成本过高，软件调试复杂，每改变一次相移都要重新调整软件，使用不方便，且受滤波器的限制，对高频信号移相效果并不满意。
发明内容
本实用新型的发明目的在于提供一种移相角度精度高、速度快 ,以及可以采用各种数字PID控制方法实现闭环反馈控制的正弦波数字移相电路。
本实用新型是这样实现的，包括两乘法型D/A转换器、两ROM存储器、两连接有电阻R的运算放大电路构成的跟随器(跟随器的放大倍数为1)、变压器，90º相移电路，电阻R连接在运算放大电路的反相端与输出端之间，需要移相的角度是n位二进制码b1 b2 …bi…bn(bi=0或1，i=1、2、3、……、n) 组成的数字角θ,设定n位二进制码中的第i位的权重为a i =180º/2i-1，i=1、2、3、……、n，n位二进制码b1 b2 …bi…bn中的第i位bi如果是0，代表该第i位所表示的角度为零，如果该第i位bi是1，代表该第i位所表示的角度为其权重即180º/2i-1，数字角θ是n位二进制码中所有bi位是1对应的权重之和，即θ=b i a i ，其中一ROM存储器分别存储2n个数字角θ的余弦cosθ数据 (m'位二进制码)，另一ROM存储器分别存储2n个数字角θ的正弦sinθ数据 (m'位二进制码),数字角θ所对应的n位二进制码同时作为两ROM存储器的相应的cosθ数据和sinθ数据的地址，两ROM存储器的输出 (m'位二进制码数字输出) 分别与两乘法型D/A转换器的其中相应的数字输入端相连, ROM存储器的输出位数与相连乘法型D/A转换器数字输入位数相对应，与其中一ROM存储器相连的其中一乘法型D/A转换器的参考电压输入端VR与被移相的模拟信号正弦波ksinωt (k为常系数) 相连，与另一ROM存储器相连的另一乘法型D/A转换器的参考电压输入端VR与正弦波的余弦式kcosωt (ksinωt经90º相移电路获得) 相连, 两乘法型D/A转换器的输出分别经连接有电阻R的运算放大电路构成的跟随器隔离驱动，被平衡输入到变压器初级，变压器的次级输出为移相后的正弦波输出。
工作时，通过物理开关 (如微电脑控制装置等) 选择n位二进制码，确定需要移位的数字角θ，使两ROM存储器同时输出cosθ和sinθ (输出的cosθ和sinθ为m'位二进制码的数字信息) 分别到两乘法型D/A转换器经乘法型D/A转换器转换成模拟信息，并分别与待移相正弦波的正弦式ksinωt模拟信号和正弦波的余弦式kcosωt模拟信号相乘，得到的模拟信号 (k'sinωtcosθ及k'cosωtsinθ，k'是转换后的常系数) 分别经运算放大电路构成的跟随器隔离驱动后，同时加入到变压器初级的两端，得k'sinωtcosθ-k'cosωtsinθ=k'sin(ωt-θ) 的正弦波形信号，即实现对正弦式ksinωt模拟信号的角移相。正弦波的余弦式kcosωt模拟信号由待移相正弦波通过90º相移电路后获得。
本实用新型与已有技术相比，由于输入及输出均是同步的电子信息，而且，通过设置二进制码n的位数，就能获得所需精度的移相角度且覆盖了所有的具有所需精度的角度，因此，具有移相角度精度高、速度快 ,以及可以采用各种数字PID控制方法实现闭环反馈控制的优点。
附图说明
图1为本实用新型的电路图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述：
如图所示，包括两乘法型D/A转换器、两ROM存储器、两连接有电阻R的运算放大电路构成的跟随器(跟随器的放大倍数为1)、变压器，90º相移电路，电阻R连接在运算放大电路的反相端与输出端之间，需要移相的角度是n位二进制码b1 b2 …bi…bn(bi=0或1，i=1、2、3、……、n) 组成的数字角θ,设定n位二进制码中的第i位的权重为a i =180º/2i-1，i=1、2、3、……、n，n位二进制码b1 b2 ….bi…bn中的第i位bi如果是0，代表该第i位所表示的角度为零，如果该第i位bi是1，代表该第i位所表示的角度为其权重即180º/2i-1，数字角θ是n位二进制码中所有bi位是1对应的权重之和，即θ=b i a i ，其中一ROM存储器分别存储2n个数字角θ的余弦cosθ数据 (m'位二进制码)，另一ROM存储器分别存储2n个数字角θ的正弦sinθ数据 (m'位二进制码),数字角θ所对应的n位二进制码同时作为两ROM存储器的相应的cosθ数据和sinθ数据的地址，两ROM存储器的输出 (m'位二进制码数字输出) 分别与两乘法型D/A转换器的其中相应的数字输入端相连, ROM存储器的输出位数与相连乘法型D/A转换器数字输入位数相对应，与其中一ROM存储器相连的其中一乘法型D/A转换器的参考电压输入端VR与被移相的模拟信号正弦波ksinωt相连，与另一ROM存储器相连的另一乘法型D/A转换器的参考电压输入端VR与正弦波的余弦式kcosωt（ksinωt经90º相移电路获得）相连, 两乘法型D/A转换器的输出分别经连接有电阻R的运算放大电路构成的跟随器隔离驱动，被平衡输入到变压器初级，变压器的次级输出为移相后的正弦波输出。
工作时，通过物理开关（如微电脑控制装置等）选择n位二进制码的数字角θ（如θ为0000101000，即n为10位，则表示相应的角度θ=180º/25-1+180º/27-1=11.25°+2.8125°=14.0625°，同时0000101000又作为两个ROM的地址；又如n位二进制码的数字角θ为00000101000，即n为11位，则表示相应的角度θ=180°/26-1+180°/28-1=5.625°+1.40625°=7.03125°），同时00000101000又作为两个ROM的地址，使两ROM存储器同时输出cosθ和sinθ（输出的cosθ和sinθ为m'位二进制码的数字信息）分别到两乘法型D/A转换器，经乘法型D/A转换器转换成模拟信息，并分别与待移相正弦波的正弦式ksinωt模拟信号和正弦波的余弦式kcosωt模拟信号相乘，得到的模拟信号分别经运算放大电路构成的跟随器隔离驱动后，分别同时加入到变压器初级的两端，从而获得移相θ角的正弦波形信号。正弦波的余弦式kcosωt模拟由待移相正弦波通过90°相移电路后获得。
以n=10为例，两ROM存储器每个所存储的数据有1010=1024及相应的1010=1024个二进制编码形式的地址，如下表所示：
这里数字角θ可以根据需要的移相角度精度要求设定二进制码n的位数，ROM1存储数字角θ对应的的余弦 (即cosθ的m'位二进制码的数字信息) 输出到乘法型D/A转换器1的转换数字位输入的位数与ROM2存储数字角θ对应的正弦 (即sinθ的m'位二进制码的数字信息) 输出到乘法型D/A转换器2的转换数字位输入的位数相同，并且其位数取决于cosθ和sinθ要求精度，存储器输出位数m'的选择，取决于D/A转换器位数的选择，即也取决于测量精度要求，D/A转换器位数越高，转换测量就越高，这里可以取八位（精度为1.40625°）、十位（精度为0.3515625°）、十二位（精度为180°/4096）、十六位（精度为180°/65536）的D/A转换器；依据选定的D/A转换器确定ROM存储器的位数。
此外，运算放大器A1、A2构成的跟随器放大倍数为1，运算放大器A1、A2参数要一致，两电阻R要相等，且精度要优于千分之一。变压器要求超高磁导率，以确保移相精度。
具体使用时：
⒈依据移相精度的要求选择八位、十位、十二位、十六位的D/A转换器；
⒉依据选定的D/A转换器确定数字角θ的二进制码的位数；
⒊依据移相精度确定运算跟随放大器及电阻R的的大小，且电阻R的其精度在千分之一以上；
⒋依原理图连接电路并总调。
以n=10为例，最小移相角度为180°/210-1=0.3515625°，当数字角θ为0000101000时，则表示的角度θ=180°/25-1+180°/27-1=11.25°+2.8125°=14.0625°，同时0000101000又作为两个ROM的地址，以此为例，进行移相的原理说明：
待移相正弦波的正弦式是：
ksinωt
待移相正弦波通过90°相移电路后获得的正弦波的余弦式是：kcosωt
通过计算机或其它方法输入0000101000，即需移相的角度θ为14.0625°，同时00000101000又作为两个ROM的地址，
其中一乘法型D/A转换器所获得的结果是：
k'sinωt×cosθ= k'sinωtcosθ （1）
另一乘法型D/A转换器所获得的结果是：
k'cosωt×sinθ= k'cosωtsinθ （2）
经运算放大电路增益后的模拟信号（1）、（2）分别同时加入到变压器初级的两端，次级输出的结果是：
k'sinωtcosθ-k'cosωtsinθ= k'sin (ωt -θ) （3）
即实现移相θ=14.0625°。
Claims (2)
1.一种正弦波数字移相电路，其特征在于包括两乘法型D/A转换器、两ROM存储器、两连接有电阻R的运算放大电路构成的跟随器、变压器，90°相移电路，电阻R连接在运算放大电路的反相端与输出端之间，需要移相的角度是n位二进制码b1b2…bi…bn组成的数字角θ,bi＝0或1，i＝1、2、3、……、n，设定n位二进制码中的第i位的权重为ai＝180°/2i-1，i＝1、2、3、……、n，n位二进制码b1b2…bi…bn中的第i位bi如果是0，代表该第i位所表示的角度为零，如果该第i位bi是1，代表该第i位所表示的角度为其权重即180°/2i-1，数字角θ是n位二进制码中所有bi位是1对应的权重之和，即其中一ROM存储器分别存储2n个数字角θ的余弦cosθ数据，另一ROM存储器分别存储2n个数字角θ的正弦sinθ数据,数字角θ所对应的n位二进制码同时作为两ROM存储器的相应的cosθ数据和sinθ数据的地址，两ROM存储器的输出，即m'位二进制码数字输出，分别与两乘法型D/A转换器的其中相应的数字输入端相连,ROM存储器的输出位数与相连乘法型D/A转换器数字输入位数相对应，与其中一ROM存储器相连的其中一乘法型D/A转换器的参考电压输入端VR与被移相的模拟信号正弦波ksinωt相连，与另一ROM存储器相连的另一乘法型D/A转换器的参考电压输入端VR与正弦波的余弦式kcosωt相连，ksinωt经90°相移电路获得,两乘法型D/A转换器的输出分别经连接有电阻R的运算放大电路构成的跟随器隔离驱动，被平衡输入到变压器初级，变压器的次级输出为移相后的正弦波输出。
2.根据权利要求1所述的正弦波数字移相电路，其特征在于跟随器的放大倍数为1。
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| CN114779877A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-07-22 | 中国科学院半导体研究所 | 紧凑型直接数字式频率合成器及正弦数据压缩方法 |
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