模拟移相电路的设计通信类设计Word文档格式.docx
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关键词：
模拟移相器RC阻容移相网络集成运放电压跟随器
目录
第一章引言
1.1课题研究背景
1.2模拟移相器的发展状况
1.3本课题的主要内容
第二章移相网络的基本原理
2.1基本移相原理
2.2移相网络的方案选取
2.3移相网络的性能指标
2.4移相网络的参数设计
第三章模拟移相网络的仿真优化
3.1Multisim仿真软件的介绍
3.2在Multisim环境下的仿真结果
第四章结论
第五章附图
电磁波在传输时，不仅幅度会发生变化，同时相位也要发生变化。
衰减和相移是代表同一复参数的幅度和相角的变化。
但是由于历史发展的原因，衰减测量的重要性较早的被人们认识并解决，所以常把衰减作为一个单项指标和测量任务来看待。
从上个世纪六十年代开始，随着对人造卫星、洲际导弹、航天飞机等各种飞行器及对其他的目标进行监控的需求日益增强，并且为了在复杂的环境中提取更多的信息，出现了控阵天线及加速器等较新技术，相移的测量（即相位测量）则迟至了这些新技术出现时才被重视。
移相器一般用于雷达系统、通讯系统、微波仪器和测量系统等方面，其中，最主要的是用于相控阵雷达和智能天线系统中。
目前，随着航空、航天技术的发展以及军事上的需要，对相位的测量提出了一些新要求如更高的测量精度及更高的分辨能力。
本次课题源于航空、航天技术的发展以及军事上的需要及地面雷达接收系统需要存在相位差的两个同频信号，我们设计了一个移相网络。
一般地说，依据不同的定义方法移相器可分为不同的种类。
根据控制方式的不同，移相器可分为模拟式移相器和数字式移相器。
数字移相器相移量只能在一定范围内取某些特定值，数字移相器虽然可以用数字控制电路，与外电路的接口比较容易，但是模拟移相器可以实现360度范围内的无极扫描，有更高的移相精度，它多用在系统相位自动调整的场合和移相精度要求特别高的场合。
而模拟式移相器是一种电压控制连续线性移相的微波器件移相器，它可以实现相位线性连续的变化。
所以我们这里只设计模拟式移相器。
它的技术指标主要有：
工作频带、相移量、相移精度、插入损耗、插入损耗波动、电压驻波比、功率容量、移相器开关时间等。
当前微波移相器广泛应用，微波电控器件利用参数可电调的材料和器件组成的控制微波信号幅度或相位的器件。
可电调的材料和器件主要有半导体二极管（如PIN管﹑变容管和肖特基管等）和铁氧体材料。
控制信号幅度的器件有衰减器﹑调幅器﹑开关器和限幅器等﹔控制信号相位的有移相器和调相器等。
PIN管具有不同的正反向特性﹐当它被反向偏置时可等效为小电容而近似开路﹐而在正向偏置时则可等效为可变电阻﹐若偏压增大﹐其阻值则减小。
PIN管衰减器就是利用这一特性工作的﹐从它的等效电路可见﹐当PIN管反偏置时﹐衰减器即相当于滤波器﹐可设计成几乎没有衰减﹐而PIN管正偏置时﹐衰减器为一电阻衰减器﹐改变偏压即可改变衰减。
但是它在当系统负荷较重、并且有持续快速攀升趋势时，需要进行电压紧急态势分，注视运行工况将可能通过何种途径逼近电网负荷供应能力的临界点。
负荷在高位快速攀升时，电源如何分担负荷增量，可以从运行模式的调峰特征去寻找预估线索。
主力调峰电源与负荷中心之间，各联络线在潮流上涨逼近限值方面，往往步调上有差异，线路潮流骤增时，对可能首先跳闸的联络线，应该给予特殊的关注，因为其保护跳闸势必引起功率转移，使其它联络线相继跳闸，产生恶性连锁反应，可能导致系统瘫痪。
而阻容移相电路中，由于级间耦合电容的隔直流作用，使各级静态工作点彼此独立；
一般级间耦合电容值比较小，对中频高频信号可视为短路，即能有效地传输交流信号，并且体积小，易集成，易操作。
因此，我选用阻容移相电路设计模拟移相电路。
1.2模拟移相器的发展状况
在20世纪50年代电可调移相器出现之前，所有的移相器都是机械的，非常不准确。
到了50年代出现了用于相控阵扫描的铁氧体移相器。
20世纪60年代中期，采用PIN二极管作为开关元件的移相器。
80年代后随着微电子工艺技术的提高及各种微波毫米波系统分析手段的完善，还有相控阵雷达，通信，导弹制导，武器发展的需要，促进了移相器的发展，才出现了几种其他类型的移相器，其中有有源移相器和静磁波时延移相器。
九十年代，随着集成电路的发展，国外开展MMIC移相器的研究，MMIC移相器使用了90度混合耦合器直通端、耦合端与低损耗的电抗网络相接。
混合耦合器另两端便形成了电路的输入和输出端。
国外的研究较早，设备先进，工艺成熟，并有单片移相器的相关研究。
国内也出现了微波、毫米波集成的电路，工作频率较高，带宽较宽，但是缺点是移相开关的速度较慢。
随着新材料和新工艺的不断出现，移相器将朝着高性能、小型化，低成本的方向发展。
整个系统主要研究硬件设计，设计模拟移相的简单电路，一路输入信号经过模拟移相电路输出两路信号：
一路是原信号经过电压跟随器输出的信号，另外一路是经过超前、滞后移相网络之后的信号（要求是不同频率下相位连续可调的信号）。
要求输入信号频率5kHz、50kHz、、100kHz；
相移范围–600~600；
输出电压幅度5V。
并在Multisim软件中仿真演示相位变化结果。
根据以上所述可以用一个移相器模型来表示，如下图：
图A.模拟移相电路模型
当Control不发生改变时，理想的移相器应该是一个线性时不变系统，所以对任意的输入信号，时延应该是常数，即对任意的输入频率，相位与频率成线性关系。
这对移相器工作在窄带条件下时比较容易实现，而宽带移相器中却不好实现。
对于模拟移相器而言，其控制端Control可以连续变化，从而实现对相移量的连续控制。
其中Control采用对于Ur和Uc合成的相位变化的RC阻容耦合，集成运放，电压跟随器等元器件设计出一个移相网络。
图BControl流程框图
元器件的选取依据技术指标及相关关系选取参数。
另外，设计的移相网络系统与理想系统的测试结果必然会有差别，但这不影响移相电路的工作。
在一些试验研究中有时需要存在相位差的两个同频信号。
移相器是控制信号相位变化的控制元件，所以人们通常采用移相网络来实现。
由于模拟移相器可以实现360度范围内的无极扫描，有更高的移相精度，它多用在系统相位自动调整的场合和移相精度要求特别高的场合。
而且模拟式移相器是一种电压控制连续线性移相的移相器，它可以实现相位线性连续的变化，所以我选定了此次课题设计一个模拟移相网络。
移相器是能够对波的相位进行调整的一种装置，任何传输介质对在其中传导的波动都会引入相移，这是早期模拟移相器的原理。
移相器的作用是将信号的相位移动一个角度。
运用移相器规约敏感联络线的潮流，保障电压稳定性不因联络线连锁跳闸、相继退出而遭到破坏，可以明显提高电压稳定极限。
其工作原理根据不同的构成而存在差异。
如晶体管电路，可在输入端加入一个控制信号来控制移相大小；
在有些电路中则利用阻容电路的延时达到移相；
在单片机控制系统还可利用内部定时器达到移相的目的。
其中最简单的是我们选取的RC阻容移相电路，它是根据电阻R和电容C的分压相位不同，Ur和Uc合成的输出电压Uo的相位随着Ur和Uc的变化而变化，从而产生相移。
在R-C串联电路中，若输入电压是正弦波，则在电路中各处的电压、电流都是正弦波。
从相量图可以看出，输出电压相位超前输入电压相位一个φ角，如果输入电压大小不变，则当改变电源频率f或电路参数R或C时，φ角都将改变，而且相位轨迹是一个半圆。
同理可以分析出，以电容电压作为输出电压时，输出电压相位滞后输入电压相位一个φ角,同时改变电源频率f或电路参数R或C时，φ角也都将改变。
图B用相量图表示了简单串联电路中电阻和电容两端的电压UR、UC和输入电压U的关系，值得注意的是：
相量法的适用范围是正弦信号的稳态响应，并且在R、C的值都已固定的情况下，由于Xc的值是频率的函数，因此，同一电路对于不同频率正弦信号的相量图表示并不相同。
在这里，同样的移相电路对不同频率信号的移相角度是不会相同的，设计中一定要针对特定的频率进行。
频率从低到高连续变化时，相移从+90°
到-90°
之间的一段范围内连续变化。
上图中所示的相位移动角度分别为φ1=arctg（-ωRC）和φ2=arctg（1/ωRC）。
我们要将RC移相电路与运放电路、移相电位器联系起来组成有源的移相电路。
下图就是个典型的可调移相电路，它实际上就是图1中两个移相电路的选择叠加：
在图B两个移相电路之后各自增加了一个电压跟随器，然后用一个电位器和一个加法器进行选择相加。
如下图所示：
由于级间耦合电容的隔直作用，使各级静态工作点彼此独立，电压是经过R和C的分压得到的。
结合图1中得出的结论，在得到电路的传递函数后，当w=2πf时，我们可以直接用jω代替原传递函数中的s，这样就得到用相量形式表示的传递函数或称传递方程。
然后有理化分母，并分析传递方程的实部和虚部，从而就可以得到移相的角度，具体的移相角度应该是
φ=tg-1[（传递方程虚部）/（传递方程实部）]
再结合具体的R、C等参数的设计从而来实现输入信号频率5kHz、50kHz、、100kHz，输出电压幅度5V时，相位在–60度~60度之间连续线性变化。
2.2移相器的方案选取
RP3
R3
Uo
A3
A4
A1
Uc
Ur
Ub
A2
Ua
Ui
R2
RP2
根据模拟移相网络的设计要求及其基本原理，我们初步设计了一个模拟移相网络的原理图，如上图：
这就基本确定了设计方案。
此次移相网络选用了以运放为核心构成的模拟电路，A1、A2、A3、A4处使用电压跟随器，就是输出电压与输入电压是相同的，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。
在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。
因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。
在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲,提高输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。
电压跟随器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。
电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。
基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点。
（1）两块RC串联电路分别是超前网络和滞后网络，如下图：
相位计算如下：
超前网络的相位：
φ1=arctg（-ωRC）
同理，得出滞后网络的相位：
φ2=arctg（1/ωRC）
（2）在超前网络和滞后网络中使用的运放器是电压跟随器，分别取电阻和电容上的电压，并隔离期前后两部分电路，使其前后两部分互相不产生影响（这里指不产生不良影响）。
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