高精度雙路相敏放大器的設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種將檢測的輸入正弦信號(hào)與基準(zhǔn)正弦信號(hào)按一定關(guān)系進(jìn)行相位比較，進(jìn)而產(chǎn)生一直流電壓信號(hào)。該信號(hào)送往控制系統(tǒng)進(jìn)行相位校正，對其原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作工藝過程進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它可工作在比較惡劣環(huán)境中。
關(guān)鍵詞：相敏；放大器；高精度；模擬電路

    在許多電子控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要用到高精度相位控制。雙路相敏放大器主要功能是將采集的正弦信號(hào)與基準(zhǔn)正弦信號(hào)按一定關(guān)系進(jìn)行相位比較，進(jìn)而產(chǎn)生一直流電壓信號(hào)。該信號(hào)送往控制系統(tǒng)進(jìn)行相位校正，對保障設(shè)備系統(tǒng)正常工作具有十分重要的作用。在此介紹一種采用模擬電路設(shè)計(jì)的方法，采用厚膜混合集成工藝，金屬外殼、儲(chǔ)能焊封裝，內(nèi)腔采用芯片及細(xì)線鍵合工藝，該電路精度高、溫漂小。

1 方案設(shè)計(jì)
1．1 基本方案
    產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源來模擬系統(tǒng)輸入信號(hào)，輸出頻率為2 400 Hz，有效值為7 V的正弦波作為基準(zhǔn)(激磁)信號(hào)，將該信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理作為輸入信號(hào)VIN+和VIN-。OUT1，OUT2則為兩路輸出，負(fù)載為1kΩ。

1．2 電路原理
    電原理框圖如圖2所示。

     以下按單路相敏放大器進(jìn)行分析計(jì)算。
1．2．1 放大器
    放大器如圖3所示。

    該電路可接為同相放大器和反相放大器，如果輸入信號(hào)為：
    u1=Usin(ωt+φ)
    同相放大器時(shí)輸出為：
    u2=u1／2·(1+R3／R1)
    當(dāng)R1=R3=100 kΩ時(shí)，u2=Usin(ωt+φ)
    反相放大器時(shí)輸出為：
    u2=-u1R3／R1
    當(dāng)R1=R3=100 kΩ時(shí)，u2=-Usin(ωt+φ)
1．2．2 波形轉(zhuǎn)換器
    激磁信號(hào)通過零交叉檢測器，產(chǎn)生與激磁信號(hào)頻率相同、相位相反，且幅度一致的方波，方波用做驅(qū)動(dòng)模擬開關(guān)。該功能用運(yùn)算放大器LM111實(shí)現(xiàn)。模擬開關(guān)用AD7510或DG444模擬開關(guān)完成波形整形，用做相位檢測中比較的基準(zhǔn)信號(hào)，如圖4所示。

1．2．3 相位檢測電路
    (1)原理組成
    相位檢測電路主要由乘法器和低通濾波器組成，其基本組成如圖5所示。

    另輸入信號(hào)為：
    usr=Umsin(ωt+φ)
    根據(jù)傅里葉函數(shù)，方波信號(hào)為：

    經(jīng)低通濾波器后的直流分量為：
    Usc=(2／π)UmEmsinφ
    (2)實(shí)際電路
    該電路與原理稍有差別，被測信號(hào)為正弦波，模擬開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為同頻率的方波。當(dāng)方波信號(hào)為正半周時(shí)，輸出信號(hào)就是這半周所對應(yīng)的輸入信號(hào)。當(dāng)方波信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，輸出信號(hào)就是這半周所對應(yīng)輸入信號(hào)的倒相信號(hào)。實(shí)際電路如圖6所示，等效電路如圖7所示。

    由等效電路可知：
    U3=u2R7／R6
    當(dāng)R6=R7=100 kΩ時(shí)，u2=Usin(ωt+φ)
    直流分量為：
    U3=2／πUsinφ，同相
    U3=-2／πUsinφ，反相
1．2．4 低通濾波器
    低通濾波器用來通過低頻信號(hào)，抑制或衰減高頻信號(hào)。在該產(chǎn)品中采用一階低通濾波器。電路如圖8所示。

    濾波器的截止：
   
    由于濾波器的截止頻率遠(yuǎn)低于輸入信號(hào)頻率，因此可認(rèn)為濾波器的輸入信號(hào)是直流分量。
    KF=Uo／U3=-Rt／R8
    Uo=Rt／R8·U3
      =Rt／R8·2／π·Usinφ)
1．3 計(jì)算驗(yàn)證
    由Uo=Rt／R8·2／π·Usinφ可知，Rt外接便于用戶使用，那么只有輸入信號(hào)幅值U和相位偏差φ是變量。取Rt=160 kΩ，R8=100 kΩ，U=1．4×7 V，φ=90°，Uo=Rt／R8·2／π·Usinφ=9．98 V，由計(jì)算得知，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 高精度雙路相敏放大器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)
    為了更好的保證的產(chǎn)品性能，根據(jù)產(chǎn)品自身的特點(diǎn)和用戶要求，將產(chǎn)品低通濾波器的RC網(wǎng)絡(luò)外接，便于使用調(diào)整。圖9為高精度雙路相敏放大器電原理。

2．1 對產(chǎn)品通道一致性和輸出零位的考慮及設(shè)計(jì)
    嚴(yán)格保證通道一致性：輸出誤差小于等于100 mV，輸出零位：≤±5 mV。為此，不但從器件的選型及性能上入手，而且根據(jù)公司工藝特點(diǎn)，引入了跟蹤調(diào)阻的方法。在電路中加入了吸收網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)嚴(yán)格控制運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓，解決了輸出零位：≤±5 mV的難題，從而滿足產(chǎn)品性能指標(biāo)的要求。
2．2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    采用DIP-16平底式全密封金屬外殼底座，底座鍍金，外殼鍍鎳，該套材料合格分供方生產(chǎn)工藝已很成熟，便于采購。
    為了便于整機(jī)組裝，并且能夠經(jīng)得起振動(dòng)、沖擊等機(jī)械試驗(yàn)，產(chǎn)品內(nèi)部盡量采用適合平面組裝的片式元件，這樣大大簡化了組裝工藝。封裝采用全密封技術(shù)，密封在于燥、清潔的氮?dú)庵羞M(jìn)行，帽與底座之間進(jìn)行貯能焊封裝，封裝之后細(xì)檢的漏氣率小于500×10-6kPa·cm3／s，保證產(chǎn)品的氣密性、可靠性。
    圖10高精度雙路相敏放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

2．3 工藝研究
    為保證產(chǎn)品的性能和可靠性，經(jīng)過大量的工藝實(shí)驗(yàn)，最后確定在工藝上采用以下一些特殊工藝措施：
    (1)除芯片電路外，對元件高溫存貯后，進(jìn)行100％篩選檢驗(yàn)；
    (2)采用二次套印幫定焊盤的工藝，以保證壓焊的可靠性；
    (3)采用厚膜基片與底座焊接的工藝，以確保芯組與底座的機(jī)械連接，減小熱阻；
    (4)優(yōu)選所用元器件材料，關(guān)鍵器件采用國外大公司的芯片電路，電容采用npo介質(zhì)的電容。
    通過認(rèn)真執(zhí)行工藝及上述特殊工藝措施的落實(shí)，大大提高了生產(chǎn)效率，有效地保證產(chǎn)品的性能和可靠性，取得了良好的效果。

3 測試及用戶使用情況
    測試及用戶使用情況如表1所示。測試電路原理如圖11所示。

4 結(jié)語
    該電路經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，各部分工作正常，已經(jīng)成功運(yùn)用在某系統(tǒng)中，使用效果良好。該方案不僅達(dá)到了雙通道的一致性、高精度的要求，還具有使用靈活方便、可靠性高、體積小、成本低等的特點(diǎn)，是一種很好的電路模塊。