天天看點

精确移相電路的設計舉例

移相電路就是對輸入信号(一般是正弦波)進行相位控制,而不改變其幅度,本推文以移相電路為例,展示模拟電路的回報設計技巧與方法:

一、全通濾波器實作移相

精确移相電路的設計舉例
精确移相電路的設計舉例

以上是兩種移相電路 的原理,其輸出幅度保持不變,移動的相位随R3和C而改變,在C和R3确定時其移相是arctan函數,非線性的,當WR3C較小時,近似線性arctan(x)=x,|x|<=0.5,仿真伯德特的相位如下:

精确移相電路的設計舉例

上圖可見,在WR3C較小時,是線性相移,即确定最最高頻率Wmax後可以反向計算R3C<=0.5/Wmax,确定線性相移應用的時間常數R3C。

二、回報控制設計舉例

現在需要設計一個電路,實作輸入頻率在一定範圍内變化、輸入信号的初始相位變化時,輸出信号始終超前輸入信号90°,而輸出信号幅度保持與輸入信号幅度相同。這該如何實作?

應用前述的全通濾波器,好像有希望實作,關鍵是要能調整C與R3,而且要剛好調整到對輸入信号移相90°,這是問題的關鍵。我們把問題細分一下:

1)如何改變C或R3?

2) 如何檢測相位差?這其實就是要根據相位差來回報控制C或R3的變化,可以采用模拟控制也可用數字控制方式。

先說1),改變C當然不能人去手動調節,要用電信号自動調節,首先想到的就是反向偏置的變容二極管,本推文我們不選擇改變C,如果是改變R3那麼如何做?當然不能用普通電位器了,我們還是需要能電控改變阻值的東東:

a)不少人可能首先想到的是數字電位器,這個有些問題:首先太複雜,意味着你要使用單片機,而且數字電位器都是離散電阻值,假設一步對應100歐姆,1.5khz時需要900歐姆,剛好合适,而1.525khz輸入頻率,如果需要923.56歐,就完了,因為一步對應100歐姆的數字電位器隻有900歐姆、1000歐姆,沒有923.56歐姆,會影響控制精度,是以數字電位器不是最佳方案。那麼你非要使用數字電位器又該怎麼辦?那也不是沒有辦法,隻是精度差一些:比如,你可以參考PWM控制的思路,在20次控制中,1000*(20-x)/20+900*x/20=923.56,計算出x次選擇900歐,剩下(20-x)選擇1000歐。

b)還有就是選擇JFET管,工作在可變電阻區,這是非常好的方案,隻是要控制JFET的工作電壓和擴充JFET的線性

再說2),這裡關鍵是需要一個鑒相器,來檢測相位差,二極管鑒相器、二極管平衡環狀鑒相器、乘法器…都可以做鑒相器,這裡為了簡單選擇乘法器做鑒相器

先給出整體仿真電路和仿真實驗結果:

精确移相電路的設計舉例

仿真示範:

移相

這個電路的基本思想:就是檢測90°相位差,以此對R3形成回報控制,最終實作輸出嚴格超前輸入90°的效果,很多貌似神奇的電路設計其實基本思想都很簡單,都是圍繞回報做文章!可以說能靈活應用回報的思想和技巧,模拟電路的天下如果一分為四,你已得其一,這個設計也是臨時起意而做,目的就是示範回報控制在模拟電路設計中得重要性!

回報跟蹤控制電路由鑒相器和JFET可變電阻構成:

1)鑒相器這裡采用的是乘法器,把輸出信号Asin(wt+Po)與輸入信号Asin(wt+P1)相乘,sinasinb=-0.5[cos(a+b)-cos(a-b)],當兩者差90°時結果隻有cos2wt 二倍頻分量,無直流分量,而非90°相位差時,會有一個直流分量0.5cos(Po-P1), 推文中使用一個一階RC取出直流分量,然後對直流分量進行積分,這個積分器是必須的,其作用就是如果誤差沒有消除就不斷增強調節作用,此處如果換成放大器就沒有持續調節作用了,其實這就是PID控制中的積分環節,目的就是消除最終的穩态誤差!此電路隻是臨時起意設計的,參數還沒有優化計算。

精确移相電路的設計舉例

2)JFET可變電阻

JFET的輸出電流ID與VGS(栅源電壓)、VDS(漏源電壓)關系如下,可以推導出其輸出導納gDS

精确移相電路的設計舉例

現在如下圖所示,通過R3/R2引入對Vds信号的回報,目的是減小JFET輸出電阻的非線性,造成非線性的原因從上圖的gDS公式可見其還是Vds的函數,是以我們的做法還是負回報!引入對Vds信号的負回報來抑制Vds對ID的影響!

精确移相電路的設計舉例

失真補償以後,失真度降為0.022%,這改善非常明顯,記住善于應用負回報者,如果模拟電路世界的天下一分為四,你已得其一!是不是有點當年諸葛大神的隆中對三分天下的意思?

這種JFET低失真可變電阻很有用,例如下圖的低失真系數的正弦波振蕩器:

精确移相電路的設計舉例

紅色區域左下角的1:1運放就是為了隔離R8/R9/VR對R4的負載效應; TL071也是回報控制中的積分環節,目的一樣是消除穩态誤差;D2/D3構成主要的信号幅度資訊提取網絡,采用半波整流電路取出正半周信号,通過積分器其實就是半波整流輸出信号的平均直流分量,該分量與正弦波的幅度成比例:

精确移相電路的設計舉例

二極管半波整流雖然簡單而且不精确,但是和積分器搭配卻是很常見的信号幅度提取與回報控制的手段!

簡約卻不簡單,平凡但不平庸,

出奇不意的設計,實實在在的技巧

關注微信公衆号: RiscV與IC設計

繼續閱讀