最近在檢測某個檢測系統，該系統通過線圈向空間發射電磁信號，并通過另一個線圈檢測電磁信號。

被測物會引起接收信號和發射信號之間的相位變化，通過檢測相位差數值即可以分辨出被測物的類型。

檢測電路

相位檢測電路

V1模擬發射的信號，頻率為17kHz，電壓真有效值為10Vrms；

R12, R13, C7用于待測物的等效電路；

C1, R1組成的高通濾波電路的截止頻率為

，對于頻率為17kHz的信號，可認為幅度放縮倍數為1。

引起的相位變化為

。

C1,R1組成高通濾波電路前后的波形對比

用波特儀進一步分析，以運放U4的輸出信號為輸入，以電阻R4的電壓為輸出，測得波特圖如下：

幅頻特性

相頻特性

當信號頻率為17kHz時，放大倍數為100，相位超前,即信號超前1.96us。

發射信號由比較器U2與參考電平0V比較得到第一路過零信號，該過零信號控制模擬開關S1，得到接收信號的半波，記為rs1。

比較器U2的輸入信號再經過R7，C6移相，輸入到比較器U3，并與參考電平0V比較，得到移相之后的過零信號；該過零信號控制模擬開關S2，得到接收信號的半波，記為rs2。

C5，R7，C6構成的移相網絡的幅頻特性為：

移相網絡的幅頻特性

移相網絡的相頻特性

當信號頻率為17kHz時，移相網絡的放大倍數為0.042，相位滯后了，即信號滯后了10.26us。

運放U1輸出的信號經過兩個相位不同的過零信號的正電壓選通得到兩個相位不同的半波信號rs1和rs2。

rs1經過R8，C8組成的低通濾波器濾成直流；

rs2經過R14，C9組成的低通濾波器濾成直流；

相位檢測原理分析

假設發射信號的相位為0，幅度為a，頻率為f，即表示為：

，

發射信號到U2輸入端的延時為,移相網絡導致的延時為，

待測物導致幅度變化的放大倍數為,導致的相移為。

而運放組成的信號處理電路的放大倍數為,導致的相移為。

得到rs1的直流分量為：

計算得到：

得到rs1的直流分量為：

計算得到：

假設

，則利用三角函數的和角公式，得到：

兩式相除，得到：

進一步變換得下：

(式1）

,由單片機的A/D轉換計算得到，而由固定的移相網絡決定，是一個固定值。

同時，，也是固定值，所以只需要測出,，就可以通過上述公式計算出待測物導致的相移，從而分辨出待測物的類型 。

仿真驗證

根據上述分析，我們知道

，

,

測得：

電壓測量

示波器測得待測物引起的相移為：

。

基本一致；

待測物的相移測量

實物測試

結論

該電路巧妙地用兩用路相位不同的過零信號接收信號進行選通，并濾成直流信號。

只需要測量直流信號就可以通過公式算得待測物引起的相移，避免了處理器對接收信號的高速采樣，只需要用普通的單片機就可以進行檢測。

審核編輯 ：李倩