高精度精密相位检测仪的乘法电路与放大电路设计

张 凯

（陕西工业职业技术学院 712000）

1 概述

随着相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产、医疗等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在高频范围内，相位测量在医疗部门有着尤其重要的意义，对于高频相位的测量，用传统的指针式仪表显然不能够满足所需的精度要求，随着电子技术以及微机技术的发展，高精度的测量分辨率以及直观化的特点得到越来越广泛的应用。在具体的工程实现中对相位的高精度检测并数字化是一个比较困难的问题。原有的测量方法是对两个输入信号进行调理，应用过零检测的方法使其变换成两个方波，然后我们用这两方波去控制一个计数器的开停，即用高频的脉冲去填充两个信号的时差实现相位的测量。

本次设计中为了提高测量精度，采用乘法电路模块和高精度放大电路，下面对这两个电路进行说明。

2 乘法电路模块

该模块的主要作用就是得到含有相差信息的低频分量cosΦ，将相差的大小转换为相应的电压值。但在本设计中我们研究的相差是很小的，Φ的取值范围只是在 0 .10−100之间，这样与之相对应的相差信息分量cosΦ的值也很小，而一个很小的电压（如毫伏级别）是难以识别的。这是本设计中最为重要的一个问题，如何将一个很小的相差信息转化为一个可以识别的电压。而在此我们设计AD834乘法电路可以很好的解决这个问题。

AD834主要用于高频信号的运算与处理，能够对设计中两路10MHZ的高频信号进行处理转换。将两路含有相差信息的正弦信号Asinωt和 Asin(ωt+Φ) 送入乘法器AD834的两输入端X端和Y端，我们来分析AD834的传递函数W=4XY：

显然，输出W由高频分量cos(2ωt+Φ) 和 相差信息cosΦ分量 构成，其中高频分量cos(2ωt+Φ)将通过其后的MAX291滤波电路被滤除，从而就可得到独立的相差信息分量cosΦ，其值为一定值（不含频率W，相差Φ的大小也已知）且cosΦ的值很小。为了克服小电压难以识别的问题我们希望相差信息分cosΦ量尽可能大些，为此我们要尽可能的提高相差信息分量cosΦ的值，但是 的值一定，所以我们只有通过提高系数 的值来达到增大电压值的目的。

但A的值受限于AD834，因为当差分电压大于1.3V时，系统将产生明显失真。所以我们在此将A取最大值即A=1.3V。

3 高精度运放电路模块

在乘法电路模块中，可以看到乘法器的输出值是比较小的，而小电压难以识别。所以，该模块的主要作用就是对乘法器输出的小直流进行适当的放大使它易于被识别。我们的主要任务就是设计一个性能良好的低频高精度运算放大器。在此，我们选用甚底噪声高精度运算放大器OP37来实现，因为：OP37具有极底的输入噪声、温度漂移，极低的失调电压、失调电流，宽的频带范围和长期工作稳定等显著特点。可广泛应用于微弱信号放大、精密测量、精密仪器的前置放大、优质音响系统、D/A转换及各种仪器仪表、自动控制等领域中。

所谓运算放大器，实际上是一种具有很高输入电阻和很高放大倍数的直接耦合放大器，是一个比较理想的电压增益器件，因此它获得了广泛的应用。运算放大器的种类很多，电路也不尽一致，如：同相与反相放大器，桥式放大器，加法器、积分器、对数运算器等等，但多数运算放大器都是由四个基本部分所构成：输入级、中间级、偏置电路、输出级。

放大电路中的噪声与干扰：放大电路是一种具有较高灵敏度的弱电系统，很容易受到内部和外界一些无规则信号的影响，这些来自放大电路内部或外界无规则的信号我们称之为噪声或干扰。在噪声和干扰电压的大小可以与有用信号相比较时，放大电路输出端有用信号将被它们所“淹没”，或者说放大后的有用信号已难以在输出电压中被检测出来了。因此噪声和干扰是高灵敏度放大器中必须加以考虑的重要问题。下面给出OP37的三个主要参数：

（1）极低的输入噪声电压幅度0.08uVp-p（0.1Hz － 10Hz）

（2）极低的输入失调电压10uV

（3）极低的输入失调电压温漂0.2uV/℃

在本模块中，我们的目的是将很小的输出电压（直流信号），进行适当的放大，不包含相位信息，与相位无关。所以，我们采用由OP37构成的同相放大器来实现对输出信号的放大。下面我们给出该运放电路的原理图：

OP37构成的同相放大器

上式表示，放大器的输出电压与输入电压同相，且闭环放大倍数也是由外部反馈网络的电阻比值来决定。此时的输入电阻输出电阻R0≈0。

由乘法电路我们知道：Φ=0、W=0.845；Φ= 0 .50、W=0.844967；Φ= 10、W=0.844871；Φ= 20、W=0.844485

为了辨识 0 .50单位的相位差，即 00与 0 .50之间的相差，00与10之间的相差……

我们作如下处理：

Φ= 0 .50时的相差为∆=0.845-0.844967=0.05mV

Φ= 10时的相差为∆=0.845-0.844871=0.129mV

Φ= 20时的相差为∆=0.845-0.844485=0.515mV

通过观察上面的三组数据知道∆的值非常小，只达到mV级别，根本无法识别，该模块将对其进行适当的放大，把它放大到以V为单位，这样我们就可以容易测量出它的值。下面我们就来确定所需的放大倍数：

0.05mV × 5 000 = 0 .25V0.129mV ×5 000=0.645V

0.515mV × 5 000 = 2.575V

0.25V、0.645V、2.575V都是我们可以容易测量出来的，所以，我们需要一个放大倍数为5000的放大器。在此，我们采用级联放大电路来实现。用两个OP37同相放大器，第一级电压增益Avf1为100，第二级电压增益Avf2为50。级联后Avf=Avf1×Avf2= 5 000 达到要求。下面来确定元件参数：

取Rf=5KΩR1=50Ω 则：Avf=100

取Rf= 2 .5KΩR1=50Ω 则 ：Avf=50偏置电阻R2一般取在此我们取R=500Ω

最后给出OP37构成的电压增益为5000的两级同相放大器：

4 结束语

本系统实现了对两路10MHZ正弦信号中 0 .10到 1 00相差的精确检测，并最终用可识别的电压来表征相差的大小。在高频环境下，能够稳定输出，计算误差小，低失真。乘法电路和高精度运放电路都能够稳定工作，各模块性能都达到设计要求。对系统进行整体调试，工作稳定、性能良好，具有高的实时性、检测精度和抑制噪声能力，能很好的实现在高频环境下，对很小相差的高精度测量。该系统还可以得到进一步的扩展和完善，使该方法能够被广泛应用。 随着相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产、医疗等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在高频范围内，相位测量在医疗部门有着尤其重要的意义。

[1]Kyan MJ,Guan L,Arnison M R,et al.Feature Extraction ofChromosomes from 3D Confocal Microscope Images.IEEETransactions in Biomedical Engineering .2001

[2]Boukerroui D,Noble J A,Robini M C,et al.Enhancement ofContrast Regions in Suboptimal Ultrasound Images withApplication to Echocardiography.Ultrasound MedicineBiology .2001

[3]Xiao Z,Hou Z,Miao C,et al.Using Phase Information forSymmetry Detection.Pattern Recognition .2005

[4]Sobel I.Neighbourhood Coding of Binary Images for Fast ContourFollowing and General Array Binary Processing.ComputerGraphics and Image Processing.1998

[5]王强,赵宇.CPLD在步进电机控制系统中的应用[J].电子测量技术.2006(06)

[6]宋强.基于虚拟仪器的电动汽车牵引电机性能测试系统[J].仪器仪表学报.2007(11)

[7]欧阳春光.相位检测仪的原理与制作[J].大众用电.2002(05）

[8]孙玉根.相位检测仪现存缺陷及其改进[J].建筑电气.2002(02）

[9]顾春雷.动态功率因数补偿中的参量检测与控制[J].电力电子技术.2001(06)

[10]白鹏,王建华,刘君华.基于虚拟仪器的相位测量算法研究[J].电测与仪表.2002(08)