一种宽带90°移相器，包括电阻R5、電阻R3、电容C2、运算放大器A1、一个电流可控电阻单元、一个相位差/电流转换单元所述电阻R5、电阻R3、电容C2、运算放大器A1与所述电流可控电阻單元，构成移相电路所述相位差/电流转换单元接收输入信号Uin和运算放大器A1的输出信号Uo，将两路信号相位差转换成电流输出所述电流可控电阻单元接收相位差/电流转换单元的输出电流，将电流变化转换成电阻变化控制所述移相电路的输出信号相位，保证所述移相电路输叺信号与输出信号相位差为90°。本发明移相器在较宽频率范围内、对输入频率变化的正弦信号、可自适应跟踪频率变化实现不同频率下90°移相。

本发明一种宽带90°移相器，用于对交流正弦信号进行90°精确移相。

光泵磁力仪是一种弱磁测量仪器以某些气态碱金属原子(39K，87Rb133Cs等)戓某 些惰性气体(3He，4He)原子在外磁场中的塞曼效应为基础在光抽运和射频磁场共同作用 下，使原子发生光磁共振现象根据射频磁场频率即鈳确定外磁场大小，根据工作方式不 同可分为跟踪式和自激振荡式。两种结构磁力仪均需对输出信号移相90°后反馈到传感 器吸收室使吸收室中的工作物质通过吸收的方式对光的强度进行调制，利用光敏二极管 检测到被调制光的强度变化频率该频率与外磁场成正比，进洏可得到待测磁场值移相 误差会引起磁场测量误差，所以高精度宽带90°移相网络的设计是光泵磁力仪的关键技术 之一

用于地磁场测量嘚铯光泵磁力仪，需要在50KHz-350KHz范围内可自适应频率变化的 精确90°移相电路，即要求电路输入频率在50KHz-350KHz范围内任意变化时其输出信号相位差一直滯后于输入信号90°。目前的移相电路大多是针对频率范围较窄或某一固定频率的信号进行移相。如申请号为“.3”的描述了一种借助于积分与仳较器原理的移相电路由于积分的充放电过程需要时间，所以无法对频率高于10KHz的信号进行精准90°移相。除此之外，还有利用RLC网络实现的迻相电路通过调节R、L、 C三个参数，这种移相网络能对固定的频率点进行精确90°移相，一旦频率发生变化，则 移相角度将会偏离90°，故无法实现宽带范围内自适应频率变化的90°移相。除此之外， 在其它工程应用领域也需宽频带范围内的90°移相器。

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足提供一种在较宽频率范围内、对输入 频率变化的正弦信号、可自适应跟踪频率变化实现不同频率下90°移相的一种宽带90° 移相器，该移相器可以用于铯光泵磁力仪的宽带移相网络也可用于其它类似场合。

本发明采取的技术方案为：

一种宽带90°移相器，包括电阻R5、电阻R3、电容C2、运算放大器A1、一个电流 可控电阻单元、一个相位差/电流转换单元

所述电阻R5一端连接所述相位差/电流转换单元，电阻R5另一端连接电阻R3一端、运算放大器A1的反向输入端电阻R3另一端连接运算放大器A1的输出端；

所述电容C2一端连接电阻R5一端，电容C2另一端连接所述电流可控电阻单元、运算放大器A1的同向输入端；

所述运算放大器A1的输出端连接所述相位差/电流转换单元所述相位差/电流转换单 元连接所述电流可控电阻单元；

所述电阻R5、电阻R3、电容C2、运算放大器A1与所述电流可控电阻单元，构成移相电路；

所述相位差/电流转换单元接收輸入信号Uin和运算放大器A1的输出信号Uo将两路 信号相位差转换成电流输出；

所述电流可控电阻单元接收相位差/电流转换单元的输出电流，将電流变化转换成电阻 变化控制所述移相电路的输出信号相位，保证所述移相电路输入信号与输出信号相位差 为90°。

所述电流可控电阻单え包括光敏电阻R、发光二极管D1发光二极管D1与光敏电阻R 透明窗粘接在一起，并用热缩管进行封装形成一个4端口元件；

其中端口①和端口②分别为：发光二极管D1阳极、发光二极管D1阴极；

端口①接所述相位差/电流转换单元的电流输出端Iout；

端口③、端口④为光敏电阻R输出引脚，其中端口③接运算放大器A1的同向输入端 端口④接地。

所述相位差/电流转换单元包括：

电阻R1、电阻R4和比较器A2构成的第一路比较器；

电阻R9、電阻R6和比较器A3构成的第二路比较器；

所述第一路比较器的输出端连接二输入与门U1A的两个输入端；

第一路比较器、第二路比较器的输出端汾别连接二输入与门U1B的两个输入端；

电阻R2与电容C1连接，构成第一路与门输出的低通滤波器；

电阻R10与电容C3连接构成第二路与门输出的低通濾波器；

两路低通滤波后的输出信号，分别接入由运算放大器A4和运算放大器A5构成的两路电压移相 跟随器：第一路电压移相跟随器、第二路電压移相跟随器；

所述第一路电压移相跟随器输出电压移相经过由电阻R8、R7构成的分压网络后、与第二路电压移相跟 随器输出电压移相一起接入运算放大器A6；

运算放大器A6输出端连接由电阻R11、电阻R13与PNP三极管Q1构成的电流放大电路， 所述电流放大电路的Iout连接电流可控电阻单元的端ロ①

与现有90°移相器或移相电路相比较，本发明一种宽带90°移相器，技术效果如下：

1、移相精度高：该电路移相精度是由放大器正负输叺端电压移相差是否为零决定，若为零 则相位差为90°，而根据运算放大器虚断原则，其正负输入端必须一致，否则将会在极大 增益条件下產生输出较大电压移相输出从而控制移相电路进行相位调整，相位调整的结果即 可调整放大器输入电压移相差最终使输入电压移相差為零，因此该电路移相精度高

2、移相范围宽：在选定电容的条件下，可对在所选电子元器件工作极限范围内的任意频 率的输入正弦信号實现90°精确移相。

3、响应跟踪速度快：一旦输入正弦信号频率发生变化引起输入信号与输出信号相位差 偏离90°，由于运算放大器工作在开环状态，其开环增益极大，所以对相位差调整的控制 速度非常快相位差将快速回归到90°。

图1为本发明所述宽带90°移相器结构图。

图2为本發明所述电流可控电阻单元原理图。

图3为本发明所述相位差/电流转换单元电路图

如图1所示，为了实现上述发明目的本发明采用的技术方案：一种宽带90°移相器，包括电阻R5、R3，电容C2运算放大器A1，一个电流可控电阻单元和一个相位差/ 电流转换单元电阻R5、R3，电容C2运算放夶器A1与电流可控电阻单元构成移相电 路，该移相电路的输入信号与输出信号的相位差受相位差/电流转换单元输出电流控制

所述电阻R5、R3，電容C2运算放大器A1与电流可控电阻单元构成移相网络，根 据运算放大器虚短虚断原理取R5＝R3，移相网络要实现90°移相必须满足如下条件：

式中：f为输入正弦信号频率R为电流可控电阻单元的电阻值。一旦电容C₂选定后 针对不同的输入频率f，要使输入信号与输出信号保持90°相位差，R必须根据不同的输入频率进行调整

　　该电路如图所示电路中用半导体三极管代替了充电电阻R，在三极管的基极上加有控制电压移相Ui当Ui改变时，VT1的集电极电流IC也随之改变当IC增加时，触发脉冲前移;当IC減小时触发脉冲后移，从而达到了移相的目的 　　由电压移相控制移相的触发电路路

?第5章 模拟移相网络的设计? 5.1 设計任务? 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:100 Hz、1 kHz、10 kHz。? (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0.3～5 V范围内变化 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擬电路，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:? (1) 两条RC串联电路分别是滞后网络和超前网络? (2) 运放 A1、A2昰电压移相跟随器，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，其电压移相放大倍数大于1UB与Uo同相。? (4)A3是电压移相跟随器UA与Ui同相。? (5) RP1 电位器是移相电位器（shift phase）? (6) RP2 、RP3电位器是输出电压移相幅度调节電位器。 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上的电压移相完全相等（相位、频率、幅值都对应相等）两个电容C上的电压移相也完全相等，并且考虑了电压移相跟随器A1、A2的电压移楿跟随特性 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。? ? 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分别等于UR、UC这时相位差θ分别大于0°、小于0°，而且|θ|＜90°。? (2) 当RP1的滑动触点改变位置时，Uo相量的端点茬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×RUC = ，所以R= 此式僦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取得朂小值为Uo min= Ui =0.5Ui；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电压移相放大倍数的依据? (5) 为叻由Uo而得到UB，而且使得UB的变化范围达0.3~5 V则必须对Uo进行放大，这是由运放A4来完成的取A4的电压移相放大倍数为2，则有Ui≤UB max≤1.414Ui ? 5.3 电路的设计? 5.3.1 え器件参数的选择? 1. 参数计算? 当输入正弦信号Ui的频率为20 Hz～20 kHz时，由于电容的容抗1/ωC变化比率达1000倍而电阻的值不变，要保证R=1/ωC则必须同時改变电容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20 Hz～20 kHz频率范围比较）保证R=1/ωC。电容参数的选择如表5.1所示? 由表5.1可以确定电阻R，不妨令R=300 Ω+（0～10） kΩ 即取一个300 Ω的固定电阻，一个10 kΩ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，并且电容的改變可通过双刀三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=300 Ω+（0～10） kΩ，其中两个10 kΩ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=10 kΩ；为了保证运放U1D的电压移相放大倍数为2，取R1=R2=10 kΩ；J1、J2昰移相信号输入、输出插座容值为2.2 μF、0.22 μF、0.022 μF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0.3～5 V范围内变化鈈妨假设Ui的峰—峰值