摘要：介紹一種將檢測的輸入正弦信號與基準正弦信號按一定關(guān)系進行相位比較，進而產(chǎn)生一直流電壓信號。該信號送往控制系統(tǒng)進行相位校正，對其原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作工藝過程進行了詳細的敘述，實驗結(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與基準正弦信號按一定關(guān)系進行相位比較，進而產(chǎn)生一直流電壓信號。該信號送往控制系統(tǒng)進行相位校正，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)計的方法，采用厚膜混合集成工藝，金屬外殼、儲能焊封裝，內(nèi)腔采用芯片及細線鍵合工藝，該電路精度高、溫漂小。

1 方案設(shè)計
1．1 基本方案
    產(chǎn)品總體設(shè)計方案如圖1所示。實驗中采用標準信號源來模擬系統(tǒng)輸入信號，輸出頻率為2 400 Hz，有效值為7 V的正弦波作為基準(激磁)信號，將該信號進行運算處理作為輸入信號VIN+和VIN-。OUT1，OUT2則為兩路輸出，負載為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行分析計算。
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，如果輸入信號為：
    u1=Usin(ωt+φ)
    同相放大器時輸出為：
    u2=u1／2·(1+R3／R1)
    當R1=R3=100 kΩ時，u2=Usin(ωt+φ)
    反相放大器時輸出為：
    u2=-u1R3／R1
    當R1=R3=100 kΩ時，u2=-Usin(ωt+φ)
1．2．2 波形轉(zhuǎn)換器
    激磁信號通過零交叉檢測器，產(chǎn)生與激磁信號頻率相同、相位相反，且幅度一致的方波，方波用做驅(qū)動模擬開關(guān)。該功能用運算放大器LM111實現(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信號，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。

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

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

    由等效電路可知：
    U3=u2R7／R6
    當R6=R7=100 kΩ時，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，抑制或衰減高頻信號。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低于輸入信號頻率，因此可認為濾波器的輸入信號是直流分量。
    KF=Uo／U3=-Rt／R8
    Uo=Rt／R8·U3
      =Rt／R8·2／π·Usinφ)
1．3 計算驗證
    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，由計算得知，達到了設(shè)計目標。

2 高精度雙路相敏放大器的關(guān)鍵設(shè)計
    為了更好的保證的產(chǎn)品性能，根據(jù)產(chǎn)品自身的特點和用戶要求，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
    嚴格保證通道一致性：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，引入了跟蹤調(diào)阻的方法。在電路中加入了吸收網(wǎng)絡(luò)，同時嚴格控制運算放大器的失調(diào)電壓，解決了輸出零位：≤±5 mV的難題，從而滿足產(chǎn)品性能指標的要求。
2．2 結(jié)構(gòu)設(shè)計
    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。
    為了便于整機組裝，并且能夠經(jīng)得起振動、沖擊等機械試驗，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、清潔的氮氣中進行，帽與底座之間進行貯能焊封裝，封裝之后細檢的漏氣率小于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)過大量的工藝實驗，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，進行100％篩選檢驗；
    (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。
    通過認真執(zhí)行工藝及上述特殊工藝措施的落實，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)過實際驗證，各部分工作正常，已經(jīng)成功運用在某系統(tǒng)中，使用效果良好。該方案不僅達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，是一種很好的電路模塊。