第5章+模拟移相网络的设计

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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:100Hz、1kHz、10kHz。(2)连续相移范围:－45°～＋45°。(3)A、B输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3～5V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)

2、两条RC串联电路分别是滞后网络和超前网络。(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（shiftphase）。(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

3、，不妨令相位差为θ。所谓移相，是指改变θ。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，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θ。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

4、分别等于UR、UC，这时相位差θ分别大于0°、小于0°，而且

5、θ

6、＜90°。(2)当RP1的滑动触点改变位置时，Uo相量的端点在UR－UC相量上移动，相位差θ随之也发生改变。(3)为了保证－45°≤θ≤+45°，则Ui必须处于90°角的平分线上，这样的话，UR=UC，而UR=I×R，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=Ui≈0.707Ui，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Uo取得最小值，为Uomin=Ui=0.5Ui

7、；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，0.5Ui≤Uo≤0.707Ui，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0.3~5V，则必须对Uo进行放大，这是由运放A4来完成的。取A4的电压放大倍数为2，则有Ui≤UBmax≤1.414Ui。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20Hz～20kHz时，由于电容的容抗1/ωC变化比率达1000倍，而电阻的值

8、不变，要保证R=1/ωC，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20Hz～20kHz频率范围比较），保证R=1/ωC。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=300Ω+（0～10）kΩ，即取一个300Ω的固定电阻，一个10kΩ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

9、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=300Ω+（0～10）kΩ，其中两个10kΩ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=10kΩ；为了保证运放U1D的电压放大倍数为2，取R1=R2=10kΩ；J1、J2是移相信号输入、输出插座。容值为2.2μF、0.22μF、0.022μF的电容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0.3～5V范围内变化，不妨假设Ui的

10、峰—峰值就是0.3～5V，因为UA=Ui，则UA满足要求。而UB的最大值为1.4Uimax=1.4×5V=7V。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±5V。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