90度精密移相器实验报告

通信电子线路课程设计计

目录

第一章课程设计目的与要求…………………………………………2

1.1、课程设计的基本目的…………………………………………2 1.2、课程设计的基本要求…………………………………………2 1.3 本实验设计目的与要求………………………………………2

第二章 一些概念的简单介绍………………………………………3

2.1锁相环…………………………………………………………3 2.2移相器…………………………………………………………3

第三章 实验设计过程………………………………………………4 第四章 实验电路设计………………………………………………6

第五章 实验心得………………………………………………………9 参考文献 ………………………………………………………………10

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第一章 课程设计目的与要求

1.1、课程设计的基本目的：

通过课程设计，使学生加强对高频电子技术电路的理解，学会查寻资料﹑方案比较，以及设计计算等环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手﹑独立开展电路实验的机会，锻炼分析﹑解决高频电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强学生的实践能力。

1.2、课程设计的基本要求：

1.2.1、培养学生根据需要选学参考书，查阅手册，图表和文献资料的自学能力，通过独立思考﹑深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。

1.2.2、通过实际电路方案的分析比较，设计计算﹑元件选取﹑安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

1.2.3、掌握常用仪表的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。

1.2.4、了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。

1.2.5、培养严谨的工作作风和科学态度，使学生逐步建立正确的生产观点，经济观点和全局观点。

1.3 本实验设计目的与要求

本课程的课程设计是设计一个精密的90°移相器电路，通过本次设计，让学生掌握高频电子线路的设计方法，并将其与仿真联系起来，理论与实践相结合，培养学生的设计能力。

1.3.1做仿真部分：课程设计的实验环境；硬件要求能运行Windows XP操作系统的微机系统。EWB仿真操作系统。

1.3.2 课程设计的预备知识：熟悉EWB仿真操作系统，及通信电子线路课程。

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第二章 一些概念的简单介绍

2.1锁相环

锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。鉴相器用来鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差 ，并输出误差电压Ud 。Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（VCO）的控制电压Uc。Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁定 ，称为入锁。维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。锁相技术已广泛应用于电子技术领域，它在信号处理和数字系统中应用之一就是将信号移相90°，形成两个相互正交的信号。

图1.锁相环原理图

2.2移相器

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；现代电子技术发展后利用A/D、D/A转换实现了数字移相，顾名思义，它是一种不连续的移相技术，但特点是移相精度高。

移相器在雷达、导弹姿态控制、加速器、通信、仪器仪表甚至于音乐等领域都有着广泛的应用。

在R-C串联电路中，若输入电压是正弦波，则电路中各处的电压、电流都是正弦波。从相量图可以看出，输出电压相位引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A点的轨迹是一个半圆。同理可

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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。因此，不论以R端或C端作输出，其输出电压较输入电压都具有移相作用，这种作用效果称阻容移相。阻容移相环节，在电子技术应用中广泛采用，如移相电路、耦合电路、微分电路、积分电路等等。

第三章 实验设计过程

对于信号源，电路中的各种元器件都会对输入信号的相位有移动的作用，比如电容和电感在理想情况下就可以使信号移相90°，三极管采用共射接法可以实现180°的相移。而要移相90°，以我们所学的知识，有很多元件或者电路可以做到，比如一个理想积分器就可以对余弦信号进行精密的90°的相移。在选择电路的时候，曾想过利用理想积分器实现对信号的90°移相处理，只是利用积分器输出信号的幅度受频率变化的影响比较大，所以只在很窄的频段内，可得到较好的幅频特性和相频特性。而且积分器的设计，受元件的影响也很大，容易导致失真和杂质信号较多。如下图是利用有源放大器组成的一个带相位补偿及幅度增益自调整的电路。

此电路虽然简单，是利用理想积分器来实现90°相移的，但是这个电路稳定的频带较小，

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频率较低，而且还存在一定的失真。所以决定不采用此电路。

后来由相移想到了锁相环。锁相环，常用于对接收到的信号进行频率的跟踪与锁定。但也有一个特点，即是在频率锁定以后，锁相环输出的信号会与输入信号有一个固定的相位差。如果能够将这个相位差控制好，实现90°的相移，则这样的相移是高精度和高稳定度的。敲定锁相环这个方向后，就上网找资料，也找到了几个参考方案。只是那些方案需要到锁相环的芯片，比如锁相环芯片CD4016，在EWB中没有这个芯片，在网上也找不到CD4016芯片的内部元件布局的资料，自己画不出来，而且在EWB中的锁相环芯片太过简单，管脚过少，利用EWB仅有的元件无法画出来。如底下是一个参考方案，本实验电路就是基于底下电路的原理而设计的。

图3.常用PPL精密移相电路原理图

其电路工作原理为将一个精密相乘器和一个理想积分器并连到锁相环(PLL)的鉴相器(PD)与环路滤波器(LF)两端，用鉴相器(PD)与理想积分器的输出共同来控制压控振荡器(VCO)。当参考信号U1和压控振荡器(VCO)信号U2之间相位差不是90°时，CD4016模拟开关构成的精密相乘器的输出信号就会有直流成分。该直流分量通过有源积分器改变压控振荡器(VCO)的频率，直到两信号U1、U2之间相位差为90°。当参考信号U1的相位和压控振荡器的信号U2相位差保持精确90°时，精密相乘器的平均输出信号为零，理想积分器就没有控制电压输出。由图1可知，CD4046的鉴相器电路是由异或门电路和低通滤波器组成。由

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图4可以得到鉴相器的灵敏度K：K=Um/π式中Um为信号U1与U2幅值。但是普通锁相环U1与U2之间一般不可能保持精确的90°关系，此时，精密相乘器输出的误差电压经理想积分器积分后输出的控制电压加到压控振荡器VCO上。考虑到理想积分器对直流而言，其增益为无穷大，因此，环路的剩余相差为零，这就意味着这已锁定的环路经精密相乘器和理想积分器支路的补偿作用，进一步实现了U1与U2之间的精密90°移相。实验表明，根据图1中参数，电路能在12kHz～45kHz的频率范围内，可靠地实现90°移相，移相精度可达到±0.01°，并且具有良好的抗干扰能力和稳定的工作特性。

图4.异或门鉴相特性

第四章 实验电路设计

对于上面图3的电路图，理解为CD4046构成一个锁相环路，而并联在锁相环(PLL)的鉴相器(PD)与环路滤波器(LF)两端的一个精密相乘器CD4016和一个理想积分器，其实也相当于一个鉴相器与低通滤波器，我们都知道积分器可以用作低通滤波器。这就相当于有两部分来控制了压控振荡器，对于环路的锁定作用更强烈。

基于以上分析，得出下面图5设计电路。

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图5.90°精密移相器电路设计

由于没有CD4016芯片，但是有CD4066芯片，两者在实现功能上是一致的，只是有性能上的差异，所以用CD4066代替了CD4016.

由实验数据可以知道，上述电路设计可以实现对50KHZ—150KHZ的余弦波进行90°的相移，精度可达1°。

图6. fi=50KHZ移相效果图

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图7. fi=100KHZ移相效果图

图7. fi=150KHZ移相效果图

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移相效果图中蓝色为输入信号，黑色为压控振荡器输出信号。由效果图可以看到，压控振荡器输出电压不仅实现了频率的锁定及90°稳定相移，而且输出信号幅度不随输入信号的频率变化而波动较大。实现了较好的90°相移要求。

第五章 实验心得

本次实验为期两个星期，是以仿真软件EWB为实验平台，做的实验电路仿真。我们选择的是精密移相器的题目。起初认为，移相容易，因为对于信号源，电路中的各种元器件都会对输入信号的相位有移动的作用，但在实际画电路图调整参数的时候发现并不是这么简单的，元件的参数往往是相互影响的，而且有时候影响很大，只有慢慢的调节，找出变化规律出来，实验才得以顺利的进行下去。

本实验是利用EWB仿真软件进行电路仿真，由于老师提供了详细的使用EWB的教程，所以我们上手比较快。经过了这次课程设计，我又掌握了一种实用软件的使用。此外，由于参考电路中需要有一些芯片，尤其是数字芯片，这就要求我们学会去找这些芯片的资料，尤其是要求会看英文资料，因为只有英文资料才是最全面最准确的。

另外通过本次课设，使我们把理论和实践充分的结合起来了，充分的锻炼了我们的动手能力。使我了解了设计电路的程序，也使我掌握了关于移相器的原理和设计理念。。

在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，比如平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了，将自己所学到的知识应用到实际中，用实际来检验自己学到的东西，使自己的知识得到充实与升华。

在制作画图时，细心、耐心、恒心一定要有才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，在使用电源方面要做到最简单，尽量用单一电源，因为在实际中，一个电源就是一个小的系统，而且占用的面积较大，设计要兼顾到方方面面，否则会顾此失彼，得不偿失。

此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，寻找资料解决实际问题的能力，发现错误并解决问题的能力，与人共同合作的技巧的提高。相信这会给我以后的学习与工作带来很多的启发。

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参考文献

1、杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计(修订版)[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2005.

2、严国萍,龙占超.通信电子线路[M].北京:科学出版社,2006 3、市川裕一（日）.高频电路设计与制作[M]. 北京:科学出版社,2007.

4、于红珍.通信电子电路[M].北京:科学出版社,2007 5、任美辉，孔祥军，梁原华.自调节精密90°移相器 6、狄京，张申，王艳芬.锁相环精密90°移相器的研究

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1yk7.html