1、第5章 模拟移相网络的设计,5.1 设计任务 5.2 设计方案论证 5.3 电路的设计,5.1 设计任务,参考图5.1设计一个移相网络，具体要求如下:(1) 输入信号频率:100 Hz、1 kHz、10 kHz。(2) 连续相移范围:4545。(3) A、B输出的正弦信号峰峰值可分别在0.35 V范围内变化。,图5.1 移相网络,5.2 设计方案论证,5.2.1 电路各部分介绍图5.1所示的模拟移相网络是以运放为核心构成的模拟电路，为了分析的方便，将图5.1重画于图5.2中，该模拟移相网络的构成具体情况如下:,图5.2 重画移相网络,(1) 两条RC串联电路分别是滞后网络和超前网络。 (2)
2、运放 A1、A2是电压跟随器，分别取得信号UR和UC，并隔离其前后两部分电路，使其前后两部分互相不产生影响（指不良影响）。(3) A4构成同相放大电路，其电压放大倍数大于1。UB与Uo同相。(4)A3是电压跟随器。UA与Ui同相。(5) RP1 电位器是移相电位器（shift phase）。(6) RP2 、RP3电位器是输出电压幅度调节电位器。,5.2.2 电路工作原理1. 画相量图设Ui是正弦信号，则UA与UB是两个同频率的正弦信号。所谓相位，是指相位差，即UB与UA的相位差，不妨令相位差为。所谓移相，是指改变。画相量图如图5.3所示。在画相量图时，考虑了两条并联的RC移相电路是参数相同的
3、，因此，两条RC电路中两个电阻R上的电压完全相等（相位、频率、幅值都对应相等），两个电容C上的电压也完全相等，并且考虑了电压跟随器A1、A2的电压跟随特性。由于UA与Ui同相，且UB与Uo同相，因此，UB与UA的相位差就是Uo与Ui的相位差。 ,图5.3 相量图 (a) RC移相电路；(b) 相量图,2. 分析过程参考图5.2和图5.3，分析后可以得到如下结论:(1) 当RP1滑动触点分别处于上下端点时，Uo分别等于UR、UC，这时相位差分别大于0、小于0，而且|90。(2) 当RP1的滑动触点改变位置时，Uo相量的端点在URUC相量上移动，相位差随之也发生改变。(3) 为了保证45+45，则
4、Ui必须处于90角的平分线上，这样的话，UR=UC，而UR=IR，UC = ，所以R= ，此式就是我们确定参数电阻R和电容C的依据。,(4) 在 条件下，UR= UC = Ui0.707Ui，而且，由相量图可以看出，当RP1滑动触点处于中间位置时，Uo与Ui同相，这时Uo取得最小值，为Uo min= Ui =0.5Ui；当RP1滑动端点处于上、下端点时，Uo取得最大值，为Uomax=UR=UC=0.707Ui。由此可见，0.5UiUo0.707Ui ，此式就是我们确定运放A4电压放大倍数的依据。(5) 为了由Uo而得到UB，而且使得UB的变化范围达0.35 V，则必须对Uo进行放大，这是由运放
5、A4来完成的。取A4的电压放大倍数为2，则有UiUB max1.414Ui 。,5.3 电路的设计,5.3.1 元器件参数的选择1. 参数计算当输入正弦信号Ui的频率为20 Hz20 kHz时，由于电容的容抗1/C变化比率达1000倍，而电阻的值不变，要保证R=1/C，则必须同时改变电容C和电阻R 。因为容抗变化比率为1000倍，所以我们想到通过波段开关切换电容，并且保证在某一电容值下，通过电位器来改变电阻R ，使得频率在某一较小范围内（与20 Hz20 kHz频率范围比较），保证R=1/C。电容参数的选择如表5.1所示。,表5.1 电容参数的选择,由表5.1可以确定电阻R，不妨令R=300
6、+（010） k ，即取一个300 的固定电阻，一个10 k的电位器，二者串联，获得所需要的电阻R。因为有两条RC串联电路，所以电位器采用双连电位器，并且电容的改变可通过双刀三掷波段开关实现切换。2. 电路图最后所设计的完整的模拟移相网络电路图如图5.4所示。运算放大器选用LM324；取R=300 +（010） k，其中两个10 k可变电位器是联动的；S1、S2是一个双刀三掷波段开关，S1、S2也是联动的；电位器RP1=RP2=RP3=10 k；为了保证运放U1D的电压放大倍数为2，取R1=R2=10 k；J1、J2是移相信号输入、输出插座。容值为2.2 F、0.22 F、0.022 F的电容
7、器均采用独石电容器。,因为A、B输出端的正弦信号峰峰值分别在0.35 V范围内变化，不妨假设Ui的峰峰值就是0.35 V， 因为UA = Ui ，则UA满足要求。而UB的最大值为1.4Ui max=1.45 V=7 V。所以，为了保证电路具有足够的动态范围并适当留有一定的裕量，选定运放LM324的直流供电电源电压为5 V。,图5.4 模拟移相网络电路图,5.3.2 电路调试方法（操作使用方法）根据移相网络的工作原理及元器件参数的设计，不难给出移相网络的调试方法（也是该移相网络的操作使用方法）如下:（1） 对应输入信号的不同频率段，通过波段开关S1、S2切换电容器分别为2.2 F、0.22 F、
8、 0.022 F。如表5.1所示，当输入信号频率为20100 Hz时，S1、S2处于位置1；当输入信号频率为100 Hz1 kHz时，S1、S2处于位置2；当输入信号频率为120 kHz时，S1、S2处于位置3。,(2) 对于每一个任意的频率为f的正弦波输入信号Ui，移相以前要进行校准。不仅要先调整波段开关切换电容，还要调双连电位器，使得当RP1分别在上、下端点时，保证R=1/C，UA与UB的相位差分别为45，而且此时（RP1分别在上、下端点的情况下）有 ,(3) 经过步骤(2)校准后，移相网络就可以正常使用了。改变RP1滑动触点的位置可以移相，且有45+45，改变RP2可改变UA，UA=(0
9、1)Ui；改变RP3可改变UB，且当UB与Ui同相时有UB=(01) Ui ，当UB与Ui不同相时有UB=(0 ) Ui 。（4） 移相网络的输入阻抗。移相网络的输入阻抗是两条串联RC电路的并联值，电路输入阻抗为 （361.77234 ）=2555115 ,5.3.3 几点结论（1） 经校验可知，以上设计达到了设计任务的要求，并且在设计过程中还综合考虑了该移相网络制作出来后，可以与第3章介绍的相位测量仪配合使用。在设计过程中，我们考虑输入信号频率f=20 Hz20 kHz，而不是三个频率点:100 Hz、1 kHz、10 kHz。实际测试验收时，相位测量仪只测量100 Hz、1 kHz、10 kHz三点的情况，故以上设计已超过设计任务提出的要求。（2） 根据上述移相网络的设计方法，很容易设计出-90+90、-180+180、090、 0180、-900、-1800、0+360的移相网络。,
