CN211206631U - 一种四相正交方波信号产生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电子信息技术领域，具体涉及一种四相正交方波信号产生装置，其包括依次连接的输入阻抗匹配电路、波形变换电路、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、1/4分频器和输出驱动与接口电路；1/4分频器输出端还连接于鉴相器，其中，鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和1/4分频器构成了锁相环电路用于产生四相正交方波信号并实现输出信号频率对输入信号频率的跟踪；输出驱动与接口电路连接于1/4分频器输出端用于输出四相正交方波信号。本实用新型应用于相敏检测器来测量直流或慢变小信号幅度和相位用于提高测量精度，电路结构简单，调试方便。

Description

一种四相正交方波信号产生装置

技术领域

本实用新型涉及电子信息技术领域，具体涉及一种四相正交方波信号产生装置。

背景技术

对于幅度小的直流或慢变信号，由于受到1/f噪声和直流放大的直流偏移的不利影响，通常使用调制器将其变换成交流信号，再放大，并采用相敏检测器进行同步解调，经过低通滤波器产生一个直流输出；同步解调相当于带通滤波器，其具有非常窄带宽和高Q值，有效抑制了宽带噪声，大大提高了信噪比。

调制信号为调制器的正弦信号和幅度小的直流或慢变信号叠加，调制器的正弦波信号为外加的一个频率较高正弦；取自调制器的正弦信号经整形后得到方波，即相敏检测器参考信号；相敏检测器的输出信号大小与调制信号的幅值和参考信号幅值相关；

幅度检波如采用单通道参考信号，由于受到温度变化影响，产生相位漂移，直接影响测量结果；采用双路正交相敏检测器同时计算出信号幅度和相位，可以消除了相位漂移影响，提高测量精度；双路正交相敏检测器需以四相正交方波信号作为相敏检测器的参考信号；

鉴于此，为克服上述缺陷，提供一种四相正交方波信号产生装置成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本实用新型的目的是为了提供一种四相正交方波信号产生装置，应用于相敏检测器来测量直流或慢变小信号幅度和相位用于提高测量精度，电路结构简单，调试方便。

为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为：一种四相正交方波信号产生装置，包括依次连接的输入阻抗匹配电路、波形变换电路、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、1/4分频器和输出驱动与接口电路；输入阻抗匹配电路的输入端获取正弦信号，输入阻抗匹配电路输出端连接于波形变换电路输入端，波形变换电路输出端连接于鉴相器输入端，鉴相器输出端连接于低通滤波器输入端，低通滤波器输出端连接于压控振荡器输入端，压控振荡器输出端连接于1/4分频器输入端，1/4分频器输出端连接于鉴相器，其中，鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和1/4分频器构成了锁相环电路用于产生四相正交方波信号并实现输出信号频率对输入信号频率的跟踪；输出驱动与接口电路连接于1/4分频器输出端用于输出四相正交方波信号。

按以上方案，输入阻抗匹配电路包括运算放大器U1，运算放大器U1的同相输入端连接有高频连接器P1获取正弦信号U_s1(t)，运算放大器U1的反相输入端连接于输出端；运算放大器U1的型号为OPA656，为具有500MHz增益带宽、压摆率290V/us的运算放大器，可满足20MHz以内高频信号输入。

按以上方案，波形变换电路包括比较器U2，比较器U2的同相输入端连接于运算放大器U1的输出端，比较器U2的反相输入端接地；比较器U2的型号为LT1011，为具有差分输入、响应时间250ns高速电压比较器。

按以上方案，所述锁相环电路包括锁相环U4、低通滤波器和1/4分频器；

锁相环U4的信号输入端、相位比较器输入端和相位信号输出端构成鉴相器，锁相环U4的信号输入端连接于运算放大器U1的输出端；

低通滤波器包括电阻R5、电阻R6和电容C4，电阻R5一端连接于锁相环U4的相位信号输出端，电阻R5另一端依次串联电阻R6和电容C4后接地；电阻R5和电阻R6的中间节点连接于压控振荡信号输入端；

锁相环U4的两个定时电容连接端、两个定时电阻引入端、压控振荡信号输入端、压控振荡信号输出端、电阻R3、电阻R4和电容C3构成了压控振荡器，电容C3连接于两个定时电容连接端之间，电阻R3和电阻R4一端分别连接于两个定时电阻引入端连接，另一端接地；

1/4分频器用于产生四相正交方波信号，包括触发器U3，触发器U3的时钟信号端连接于锁相环U4的压控振荡信号输出端，触发器U3的触发信号端连接于锁相环U4的相位比较器输入端。

进一步的，74HC4046其VCO上限频率20MHz；为获得好的温度特性，C3取值尽可能小且满足大于100PF。

按以上方案，输出驱动与接口电路包括连接于触发器U3触发信号端的反相器U5和四个连接于反相器U5的高速连接器P1、P2、P3和P4；反相器U5采用的是74HC04芯片。

本实用新型具有如下有益效果：本实用新型采用锁相环电路实现四相正交方波信号产生，锁相环应用负反馈技术，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪；正弦信号源经阻抗匹配和波形变换后，作为锁相环电路输入信号，由锁相环电路的1/4分频器产生四相正交方波信号，经过锁相环电路产生的正交方波信号，应用于相敏检测器来测量直流或慢变小信号幅度和相位，用于提高相敏检测器的测量精度；采用锁相环电路，可进一步减小温度变化对参考信号影响；本实用新型应用了电子信息技术，提供了相敏检测器获取正交方波信号的装置，应用于小信号或微弱信号精密测量的仪器。本实用新型电路结构合理、简捷，电路无可调元件，调试与生产简单方便，有利于企业降低生产成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例整体结构框图；

图2为本实施例中输入阻抗匹配电路和波形变换电路的电路原理图；

图3为本实施例中锁相环电路和输出驱动与接口电路的电路原理图；

图4为本实施例产生的四相正交方波信号时序图；

附图标记：1、输入阻抗匹配电路；2、波形变换电路；3、鉴相器；4、低通滤波器；5、压控振荡器；6、1/4分频器；7、输出驱动与接口电路。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

请参考图1和图4，本实用新型为一种四相正交方波信号产生装置，其包括依次连接的输入阻抗匹配电路1、波形变换电路2、鉴相器3、低通滤波器4、压控振荡器5、1/4分频器6和输出驱动与接口电路7；输入阻抗匹配电路1的输入端获取正弦信号，输入阻抗匹配电路1输出端连接于波形变换电路2输入端，波形变换电路2输出端连接于鉴相器3输入端，鉴相器3输出端连接于低通滤波器4输入端，低通滤波器4输出端连接于压控振荡器5输入端，压控振荡器5输出端连接于1/4分频器6输入端，1/4分频器6输出端连接于鉴相器3，其中，鉴相器3、低通滤波器4、压控振荡器5和1/4分频器6构成了锁相环电路用于产生四相正交方波信号并实现输出信号频率对输入信号频率的跟踪；输出驱动与接口电路7连接于1/4分频器6输出端用于输出四相正交方波信号，具体为U_r(t)0°信号、U_r(t)90°信号、U_r(t)180°信号和U_r(t)-90°信号，时序图如图4所示。

输入阻抗匹配电路1包括运算放大器U1、电阻R1和连接器P1，运算放大器U1的同相输入端3脚通过连接器P1获取正弦信号U_s1(t)，同相输入端3脚还串联电阻R1后接地，运算放大器U1的反相输入端2脚连接于输出端6脚，运算放大器U1的输出端6脚输出U_s2(t)；运算放大器U1采用OPA656，U1具有500MHz增益带宽、压摆率290V/us运算放大器，可满足20MHz以内高频信号输入，电阻R1阻值1K，连接器P1为Q9型高频连接器；

波形变换电路2包括比较器U2和电阻R2，比较器U2的同相输入端2脚连接于运算放大器U1的输出端6脚，比较器U2的反相输入端3脚接地，比较器U2的输出端7脚输出U_s3(t)与电阻R2相连，电阻R2与正向电压端7脚V+相连；比较器U2型号为LT1011，为具有差分输入、响应时间250ns高速电压比较器，电阻R2为上拉电阻，阻值1K，U_s3(t)输出0～V+方波信号，其占空比近似为50％。

锁相环电路包括锁相环U4、低通滤波器4和1/4分频器6；锁相环U4采用的是74HC4046，锁相环74HC4046具有稳定频率、反应灵敏和低功耗的优点，74HC4046内有一个压控振荡器5VCO、三个不同的相位比较器(PC1、PC2、PC3)；

锁相环U4的信号输入端14脚、相位比较器输入端3脚和相位信号输出端13脚构成鉴相器3，锁相环U4的信号输入端14脚连接于比较器U2输出端7脚获取U_s3(t)；锁相环U4的3脚与触发器U3的2脚、3脚和9脚相连，锁相环U4的3脚还与反相器U5的5脚相连；

低通滤波器4为二阶低通滤波器4，包括电阻R5、电阻R6和电容C4，电阻R5一端连接于锁相环U4的相位信号输出端13脚，电阻R5另一端依次串联电阻R6和电容C4后接地；电阻R5和电阻R6的中间节点连接于锁相环U4的压控振荡信号输入端9脚；锁相环U4输出直流电平控制压控振荡器5VCOin脚即9脚，自动调节振荡频率，通过调整R5、R6、C4参数可以改变VCO的中心频率和频带宽度。

锁相环U4的两个定时电容连接端为6脚和7脚、两个定时电阻引入端为11脚和12脚、压控振荡信号输入端9脚、压控振荡信号输出端4脚、电阻R3、电阻R4和电容C3构成了压控振荡器5，电容C3连接于两个定时电容连接端之间6脚和7脚，电阻R3和电阻R4一端分别连接于两个定时电阻引入端11脚和12脚连接，另一端接地；电阻R3阻值75K，电阻R4阻值200K、电容C3为120PF，74HC4046其压控振荡器5VCO上限频率20MHz；为获得好的温度特性，C3取值尽可能小且满足大于100PF；本实例VCO工作频率为1.2MHz，带宽为600KHz～2.4MHz。

1/4分频器6用于产生四相正交方波信号，包括触发器U3，触发器U3的型号为74HC109，为J-K触发器；触发器U3的时钟信号端即4脚和12脚连接于锁相环U4的压控振荡信号输出端即4脚，触发器U3的触发信号端2脚、3脚和9脚连接于锁相环U4的相位比较器输入端3脚；正向工作电压V+与触发器U3的1脚、5脚、11脚、15脚和16脚相连，触发器U3的6脚与触发器U3的13脚、14脚和反相器U5的3脚相连；触发器U3的7脚与反相器U5的9脚相连，触发器U3的10脚与反相器U5的1脚相连；触发器U3产生四相正交方波信号，其占空比为50％；

输出驱动与接口电路7包括反相器U5，四个连接器P2、P3、P4、P5，四个电阻R7、R8、R9、R10，反相器U5采用的是74HC04芯片，反相器U5的6脚与连接器P2、电阻R7相连输出U_r(t)0°信号，反相器U5的4脚与连接器P3、电阻R8相连输出U_r(t)90°信号，反相器U5的2脚与连接器P4、电阻R9相连输出U_r(t)180°信号，反相器U5的8脚与连接器P5、电阻R10相连输出U_r(t)-90°信号，U5为74HC系列非门电路，有20ma输出电流能力，连接器P2、P3、P4、P5均为Q9型高频连接器，电阻R7、R8、R9、R10均为阻值1K的输出负载电阻。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种四相正交方波信号产生装置，其特征在于：包括依次连接的输入阻抗匹配电路(1)、波形变换电路(2)、鉴相器(3)、低通滤波器(4)、压控振荡器(5)、1/4分频器(6)和输出驱动与接口电路(7)；输入阻抗匹配电路(1)的输入端获取正弦信号，输入阻抗匹配电路(1)输出端连接于波形变换电路(2)输入端，波形变换电路(2)输出端连接于鉴相器(3)输入端，鉴相器(3)输出端连接于低通滤波器(4)输入端，低通滤波器(4)输出端连接于压控振荡器(5)输入端，压控振荡器(5)输出端连接于1/4分频器(6)输入端，1/4分频器(6)输出端连接于鉴相器(3)，其中，鉴相器(3)、低通滤波器(4)、压控振荡器(5)和1/4分频器(6)构成了锁相环电路用于产生四相正交方波信号并实现输出信号频率对输入信号频率的跟踪；输出驱动与接口电路(7)连接于1/4分频器(6)输出端用于输出四相正交方波信号。

2.根据权利要求1所述的四相正交方波信号产生装置，其特征在于：输入阻抗匹配电路(1)包括运算放大器U1和连接器P1，运算放大器U1的同相输入端通过P1获取正弦信号，运算放大器U1的反相输入端连接于输出端。

3.根据权利要求1所述的四相正交方波信号产生装置，其特征在于：波形变换电路(2)包括比较器U2，比较器U2的同相输入端连接于运算放大器U1的输出端，比较器U2的反相输入端接地。

4.根据权利要求1所述的四相正交方波信号产生装置，其特征在于：所述锁相环电路包括锁相环U4、低通滤波器(4)和1/4分频器(6)；

锁相环U4的信号输入端、相位比较器输入端和相位信号输出端构成鉴相器(3)，锁相环U4的信号输入端连接于比较器U2的输出端；

低通滤波器(4)包括电阻R5、电阻R6和电容C4，电阻R5一端连接于锁相环U4的相位信号输出端，电阻R5另一端依次串联电阻R6和电容C4后接地；电阻R5和电阻R6的中间节点连接于压控振荡信号输入端；

锁相环U4的两个定时电容连接端、两个定时电阻引入端、压控振荡信号输入端、压控振荡信号输出端、电阻R3、电阻R4和电容C3构成了压控振荡器(5)，电容C3连接于两个定时电容连接端之间，电阻R3和电阻R4一端分别连接于两个定时电阻引入端连接，另一端接地；

1/4分频器(6)用于产生四相正交方波信号，包括触发器U3，触发器U3的时钟信号端连接于锁相环U4的压控振荡信号输出端，触发器U3的触发信号端连接于锁相环U4的相位比较器输入端。

5.根据权利要求1所述的四相正交方波信号产生装置，其特征在于：输出驱动与接口电路(7)包括连接于触发器U3触发信号端的反相器U5和四个连接于反相器U5的连接器P2、P3、P4和P5；反相器U5采用的是74HC04芯片。

Images