数字式相位差测量仪说明书4
相位差测量
第3章 信号发生器
可变相移器的改进: 前一页的RC相移器(图6.5-2)—最大调节度为0°~90° 改进一:下图(a):变压器式相移器--最大调节度为0°~180° ----但缺点:变压器体积大,能耗也大. 改进二:下图(b): RC+V(晶体管)相移器 特点:∵晶体管c极与 e极电压相移180°∴将RC接到ce极间
1。差接式相位检波器 2。平衡式相位检波器
第3章 信号发生器
1。差接式相位检波器（电路）
电路特点：元件参数严格对称：R1＝R2;C1=C2; 测量条件：U1>>U2>1V; （信号1幅度>>信号2幅度）
R1C1、R2C2、R3C3 >>T（时间常数>> 被测信号周期）
u 工作原理：AB两点电压： AE = u1+u2(为两信号矢量相加) EB两点电压：uEB = u1-u2(为两信号矢量相减) F点电压： uF = －u2＋U2mcos φ 经滤波除去u2后uF0 = U2mcos φ
经滤波除去第二项高频成份后 i=4a2U1mU2mcosφ ----只剩下与相差有关的项。 （与输入频率的项已不存在）
第3章 信号发生器
6. 5 零示法测量相位差
零示法又称比较法。 方法：通过精密移相器的相移值与被测相移值作比较来确 定被测信号间的相位差。
测量时:调节可变相移器进行移相, 当 平衡时:u1的相位= u2的相位; 指示器指示=0; 则: u1 u2的相位差=可变相移器的相移值.
第3章 信号发生器
一。直接比较法
如图所示为一双踪示波器测量信号时屏幕显示的图像。已知两被测正弦波信号的频 率相同。示波器 置于1V档， 置于1s 档。求：⑴两正弦波信号的幅度频率。⑵ 两信号的相位差。
第6章 相位差测量
第6章 相位差测量
将ul、u2分别接到双踪示波器的Y1通道和Y2通道，
适当调节扫描旋钮和Y增益旋钮，使在荧光屏上显示出 如图6.2—1所示的上下对称的波形。设u1过零点分别为
A、C点，对应的时间为 t A、tC ; u2 过零点分别为B、
D点，对应的时间为 tB、tD 。正弦信号变化一周是360o, 过零点A比u2过零点B提前tB t A 出现，所以u1超前u2 的相位，即u1与u2的相位差
AB 360 AC
(6.2-3)
量得波形过零点之间的长度AB和AC即可由式 (6.2—3)计算出相位差 。
第6章 相位差测量
二、椭圆法 在§5.6中讲述了李沙育图形法测量信号频率，若 频率相同的两个正弦量信号分别接到示波器的X通道 与Y通道，一般情况下示波器荧光屏上显示的李沙育 图形为椭圆，而椭圆的形状和两信号的相位差有关，
u Um sin(t 0 )
（6.1-1）
为角频率； 0 为初相位。 式中：Um为电压的振幅；
第6章 相位差测量
测量相位差的方法很多，主要有：（1）用示波
器测量；（2）把相位差转换为时间间隔，先
测量出时间间隔再换算为相位差；（3）把相 位差转换为电压，先测量出电压再换算为相位 差；（4）与标准移相器的比较(零示法)等。
基于此点用来测量相位差的方法称为椭圆法。
第6章 相位差测量
6.3 相位差转换为时间间隔进行测量
一、模拟式直读相位计 图6.3-1(a)是模拟式直读相位计的原理框图，(b)是 相应的各点波形图。
第6章 相位差测量
图6.3—1 模拟直读相位计原理框图与各点波形
第6章 相位差测量
图6.3—1 模拟直读相位计原理框图与各点波形
第六章 相位差的测量
（a）
uA
······
φ=360o ΔT/T
uB
uC
ｎ
uD
······ ｎ
Tm
ｔ 则 A=(Tmfc/360o)×φ
ｔ
=aφ
ｔ
a=Tmfc/360o
ｔ 若取Tm和fc , 使 a =10g
uE
···
(g为整数) , 则
ｔ
Ａ组
图6.3—4(b) 平均值相位计原理框图
φ=A*10g
25
(6.3－9）
第六章 相位差测量
在应用直接比较法测量相位差时尽量使用双跟踪示波器， 两个正弦量波形同时显示在荧光屏上，可方便观测两波形过零 点时间及周期，并得到较准确的结果。
9
第六章 相位差测量
二、 椭圆法（李沙育图形法）
一般情况下，示波器的Y、X两个通道可看作为线性系
统，所以荧光屏上光点的位移量正比于输入信号的瞬时值。 将u1(t)加于Y通道，u2(t)加于X通道，则光点沿垂直及
例如，若被测频率为1MHz，要求测量误差为±1°时，即取 fc 360 o 10b f 中b=1，则 fc 360101MHz=3600MHz 目前还做不到对如此高的频率信号进行整形和计数。
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第六章 相位差测量
二、 数字式相位差计 再如，若某计数器最高计数频率为100MHz，要
求测量误差为±1°，其能测量的待测信号频率应小 于300KHz，如果提高测量精确度，要求测量误差为 ±0.1°，则该计数器能测量的最高待测信号频率仅 为30KHz。
T
N
换算为相位差 ，不能直读。
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第六章 相位差测量
二、 数字式相位差计
为使电路简单、测量操作方便，一般取 fc 360o 10b f （6.3—5)
数字式相位测量仪
• 93•数字式相位测量仪是用数字形式显示两个同频信号之间相位差的仪器，是一种具有读数方便、精度高、测量速度快的电子仪器。
本文基于RS触发器检相原理，以可编程逻辑器件FPGA和单片机STM32为核心，通过对被测量信号的整形处理、数据采集、运算控制、显示等电路功能设计，最终实现了一个数字式相位测量仪系统。
引言：目前，随着社会经济的迅速发展与科技的不断进步，在各种测量方面对测量仪器的测量精度与整体性能的要求不断提高，越来越崇尚数字式的测量仪器。
由此可见，传统的模拟式测量仪器已无法满足现社会的需求，而在相位差测量方面的研究更是不容乐观；因此，对高精度的相位差测量的研究和相位差测量系统的设计，刻不容缓。
所以，本文设计了一台高精度的数字式相位测量仪。
本测量仪可以测量频率范围为10Hz ～100kHz 、信号峰峰值范围为 0.5V-5V 的任何两路同频率周期性波形的相位差及其频率，测量两路信号相位差的范围为 0°至359.9°，测量绝对误差小于1°；其频率测量绝对误差小于等于0.1Hz 。
1.总体框架本系统主要分为四大基本部分组成：LM393滞回比较器的整形电路、FPGA 数据采集与计数电路、RS 触发器数字电路和STM32数据拟合处理与显示电路。
系统设计中，可编程器件FPGA 采用等精度测量原理对经整行后的信号进行测频，采取其频率信息，同时对两路待测同频信号进行RS 触发器处理并通过计数器对两路待测同频信号相位差所对应的时间差进行测量。
单片机STM32通过与FPGA 进行SPI 通信，读取FPGA 测量得到的数据，并根据读取得到的数据进行计算两路待测同频信号之间的相位差及其频率，同时对数据进行多次测量与验证后，通过MATLAB 对数据进行拟合优化，最终通过使用人机界面友好的TFT 屏显示出来待测信号的相位差信息以及其频率信息。
总体框图如图1：图1 总框图1.1 LM393滞回比较器的整形电路的设计本系统中使用了两个精密运算放大器对两路信号进行放大或衰减，使两路待测输入信号的输入电压范围变宽，从而实现0.5V 到5V 的输入电压输入；滞回比较器在单限比较器的基础上引入了正反馈网络和上拉电阻，使其的门限电压随着输出电压Uo 的变化而改变，从而，使滞回比较器具有避免过零点多次触发的现象、提高了其抗干扰能力；因此，本系统采用了基于LM393的滞回比较器对放大或衰减后的信号进行整形，使两路待测输入信号变成方波信号，便于FPGA 对输入信号的信息采集，减少了FPGA 的计数误差，更准确地测出两路待测信号的相位差及其频率。
雅马哈REV500数字式混响器的使用说明书
雅马哈REV500数字式混响器的使用说明书YAMAHA REV500数字混效果处理器属一种性价比较高的效果处理设备，20BIT、44.1KHZ采样，100个预置程序。
1、设备前面版功能图1 INPUT LEVEL输入电平控制钮及输入电平表用于控制两路通道的输入电平这里的LED输入电平指示器为输入模/数转换电路之后的电平指示，其上的红色LED灯为消顶指示，电平钮应调整在此灯不亮的位置。
2 PROGRAM按钮这里有四个按钮:TYPE钮用于选择HALL、ROOM、PLATE和SPECIAL,四种效果类型；PRESET/USER 钮用于切换预置程序和用户程序，在此用户编辑大的效果参数必需存储在用户程序当中；NUMBER键用于选择程序号。
3 LED显示屏可以显示当前的效果处理程序及其编辑参数。
4 PARAMETER EDIT参数编辑按钮这里有几个基本参数编辑按钮。
PRE DELAY效果处理的预延时调整。
HI-RATIO用于控制混响信号的高频分布特性。
REV TIME用于调整混响处理的混响时间。
ER LEVEL混响的早期反射声特性调整5 EFF LEVEL效果信号电平控制及LED指示用于效果信号电平值的调整。
当LED指示灯亮时则用于调整早期反射声信号的电平值。
6 STORE存储键效果处理参数的存储功能键7 AUDITION键试音开关，这里有一个音频信号发生器，可用于效果测试。
8 UTILITY功能编辑及LED指示此键可用于MIDI设置及系统设置等功能9 POWER 电源开关2、设备后面板图。
10 FOOT SW插座可以与YAMAHA FC5脚踏开关连接，用于控制旁通开关及选择当前效果程序。
11 MIDI接口用于MIDI数据的发送与接收。
12 OUTPUT接口及选择开关两路立体声平衡模拟信号输出，本机也可以用于单声道，此时的信号连接应接在左声道上。
这里的选择开关可以选择设备的输出电平标称值为-10DB或+4DB。
第6章相位差测量
u2 (t) U2m cos
滤波后的直流电压：
请思考：相位差刻度如何标定? U0 U 2m cos
第6章 相位差测量
二、相位差—电压转换式数字相位计
1.原理框图: 相位差 时间间隔 电压 数字式显示φ
?Φ
双稳 电路
1LSB＝?
第6章 相位差测量
2.原理波形图
Φ
1LSB＝ Ug／360
T
U0 Ug T
± 7 × 10-9 / 闸门
9位/秒
7ns～7000s
20ns～7000s
0～360 °（精度 0.05 度）
0～1 × 1012
第6章 相位差测量
习题六
p.191 6.2 6.3 6.5
2
缺点：相移调节范围小，不同相移输出电压幅度不同
第6章 相位差测量
②一种改进的RC移相器
R Rc
uo与ui之间的相位差 00～－1800
第6章 相位差测量
SP3386型高精度通用计数器/相位计
频率范围
动态范围 测量精度 测频分辨率 测周范围 测时范围 相位测量 计数测量
通道 1 和通道 2
0.14mHz～150MHz
调节
电压表 或电流表 或示波器
抵消被测信号间的相位差
第6章 相位差测量
2.移相器 ①RC移相器 相位差00～－900
相位差00～900
(a)低通滤波器：如图(a)
输出电压与输入电压的相位差为 arctan[1/(RC)]
(b)高通滤波器：如图(b)
输出电压与输入电压的相位差为
arctan[1/(RC)]
u2 (t) U2m sin（t－）
U2m sin (t－T）
低频数字式相位测试仪的设计与实现
低频数字式相位测试仪的设计与实现尹晓慧;陈劲;张宝菊;王为【摘要】基于过零检测法,以微控制器ATmega 128和可编程逻辑器件EPM1270为核心,设计并实现了对双路同频低频信号的相位差和频率进行测量的系统.在一个可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)内实现了数字式相位差和频率的数据采集,简化了系统设计.系统可以对200 Hz～10 kHz频率范围内的信号进行相对精确的测量,与传统相位测量仪相比,具有硬件电路简单、测量速度快和易于实现等优点.【期刊名称】《天津师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(032)001【总页数】4页(P39-42)【关键词】相位测量;频率测量;CPLD;微控制器;液晶显示【作者】尹晓慧;陈劲;张宝菊;王为【作者单位】天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387【正文语种】中文【中图分类】TM932在电子测量技术中，相位测量是最基本的测量手段之一，相位测量仪是电子领域的常用仪器.随着相位测量技术广泛应用于国防、科研和生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展.在低频范围内，相位测量在电力和机械等部门具有非常重要的意义［1］，目前相位测量主要运用等精度测频和锁相环（Phase Locked Loop，PLL）测相等方法.研究发现，等精度测频法具有在整个测频范围内保持恒定高精度的特点，但该原理不能用于测量相位［2］.PLL测相可以实现等精度测相，但电路调试较复杂.因此，本研究选择直接测相法作为低频测相仪的测试方法.对于低频相位的测量，使用传统的模拟指针式仪表显然不能满足所需的精度要求，随着电子技术和微机技术的发展，数字式仪表因其高精度的测量分辨率以及高度智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用因此，本研究设计并实现了以CPLD和微控制器（Micro Control Unit，MCU）为核心的低频数字式相位测量仪.相位差测量的基本原理有3种：对信号波形的变换比较、对傅氏级数的运算和对三角函数的运算［2－3］.3种原理分别对应过零检测法、倍乘法和矢量法3种测量相位差的方法.过零点检测法是一种将相位测量变为时间测量的方法，其原理是将基准信号的过零时刻与被测信号的过零时刻进行比较，由二者之间的时间间隔与被测信号周期的比值推算出两信号之间的相位差.这种方法的特点是电路简单，且对启动采样电路要求不高，同时还具有测量分辨率高、线性好和易数字化等优点.任何一个周期函数都可以用傅氏级数表示，即用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，倍乘法测量相位差所用的运算器是一个乘法器，2个信号是频率相同的正弦函数，相位差为φ，运算结果经过一个积分电路，可以得到一个直流电压V＝k cosφ，电路的输出和被测信号相位差的余弦成比例，因此其测量范围在45°以内，为使测量范围扩展到360°，需要附加一些电路才可以实现.倍乘法由于应用了积分环节，可以滤掉信号波形中的高次谐波，有效抑制了谐波对测量准确度的影响. 任何一个正弦函数都可以用矢量来表示，如各个正弦信号幅度相等、频率相同，运算器运用减法器合成得到矢量的模V＝2E sinφ／2.矢量法用于测量小角度范围时，灵敏度较好，可行度也较高；但在180°附近灵敏度降低，读数困难且不准确.由于系统输出为一余弦或正弦函数，因此这种方法适用于较宽的频带范围［1］.上述3种测量相位的方法各有优势，从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看，过零检测法的输出正比于相位差的脉冲数，且易于实现数字化和自动化，故本研究采用过零检测法.采用过零检测法需要对被测信号的周期进行测量，由于信号的周期与频率之间呈倒数关系，本研究采用测量被测信号频率的方法实现对其周期的测量.频率测量的方法很多，可分为2大类：第1类是单位时间内测量脉冲周期的方法，这种方法的优势是能够用标准的基准单位时间对被测信号时钟进行脉冲测量，简单方便，容易实现，但是由于使用了基准的单位时间，所以测量脉冲时，如果被测信号的周期接近基准时钟的周期，测量的准确度就会下降，精度难以得到保障，所以这种方法只适合于测量高频信号，或者说这种方法只适合于基准时钟周期比被测信号周期大得多的情况；第2类测量方法是使用高频时钟对被测信号的单个时钟周期进行高频计数，这种方法的优点是使用高频时钟对被测信号的单个时钟周期进行高频计数可以在一个被测信号周期内完成对频率的测量，对于低频被测信号具有较高的精度，但设计较为复杂.本研究所涉及的频率测量范围为200 Hz～10 k Hz，属于低频信号，因此可以采用高频时钟的方法对频率进行测量.每种测量方法均存在2种具体的测量手段：一种是利用专用频率计模块来测量频率，如ICM7216芯片，其内部自带放大整形电路可以直接输入正弦信号，外部振荡电路部分选用由一块高精度晶振和2个低温度系数电容构成的10 MHz振荡电路，其转换开关具有0.01 s、0.1 s、1 s和10 s共4种闸门时间，量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果；另一种方法是利用CPLD和MCU来实现频率的测量，将被测信号通过模拟电路转换为方波信号输入EPM1270的某一I／O端口，在CPLD内部实现频率的采集，最后将计数值送入MCU处理并输出至液晶予以显示.比较2种测量手段，利用实验室现有条件，本研究采用CPLD和MCU实现对被测信号频率的测量.利用单片机控制计数器工作，硬件简单且频率测量精度高，这是目前较为成熟的一种高精度测频方案.系统的设计目标是实现双路同频率正弦波信号相位差和频率的测量.本研究采用数字鉴相技术在保持模拟式相位测试优势的同时，提出并实现了一种基于CPLD的低频数字式相位测试仪.该系统主要由数据采集电路、数据运算控制电路和数据显示电路3部分构成，采用CPLD和AVR单片机相结合构成整个系统的测控整体.CPLD主要负责数据采集，单片机负责读取CPLD采集的数据，再根据这些数据作出相应计算，并通过液晶将结果显示出来.系统在保持模拟式相位测试优点的同时，具有抗干扰能力强、外围电路简单和易于实现等优点［4－5］.测量相位差的具体方法为：先通过比较电路将两路同频率正弦信号分别转换为相应的脉冲信号将其中一路信号直接送入D触发器，作为触发信号；另一路信号通过反相器取反后与复位信号相与，将得到的结果送入D触发器的清零端，由D触发器输出一脉冲信号，此脉冲波形的脉宽为t，经过微处理器进行相应计算处理后得到两信号的相位差［6－7］.设计中频率测量的具体方法是：被测信号转换后形成脉冲信号，利用其上升沿触发计数器对基准时钟开始计数，处于下降沿时则停止计数，所得计数为N，利用t＝N×T／2，f＝1／t，其中T为所用晶振的时钟周期，利用单片机系统编程实现该运算式，即可求得频率，并将运算结果送液晶显示.系统的原理框图如图1所示.3.2.1 模拟部分模拟电路部分要将同频率的两路正弦信号转换为方波输出，电路采用电压比较器LM393.LM393内有2个电压比较器，两路信号分别接2个比较器同相输入端，将反相输入端接地，即构成过零比较电路.前级的射随器采用LM353，其作用是提高输入阻抗，提高负载.过零比较器使用芯片LM393来实现，该芯片性能较好，能够有效提取正弦波的过零点.选择使用过零点这种判断方法是因为正弦波在过零点的时候，斜率具有极大值，即使两列正弦波幅度略有不同，也不会对测量结果造成过大影响，所以芯片上输出口的上拉电阻主要用于控制高低电平输出的大小.图2和图3分别是A、B两路同频率正弦信号经过模拟电路转化为方波的电路图，其中W31和W32同时接通时构成跟随器，W32和W34同时接通时构成比例放大器.3.2.2 部分参数选择整个电路设计中，参数的选取至关重要，CPLD中计数器的时钟频率要选择恰当，时钟的脉宽要保证输入方波信号的高电平时间Δt最小时存在计数值，即系统能够采集Δt最小时的输入信号；同时，还要保证Δt最大时，计数器存在计数值，即能够采集到最大的相位差360°.根据相位误差范围的要求，计算Δφ＝Δt／T×360°＝0.5°，当 T＝10 k Hz时，Δt＝0.139μs，分频系数＝0.139／0.05＝2.78，故本设计采用2分频.由于AVR单片机数据位的限制，最终得到下限频率取200 Hz，此时，系统测量的展伸不确定度范围符合设计要求.系统的软件设计流程图如图4所示.本研究使用模块化的设计方法，所以软件模块和硬件模块均首先各自独立进行调试，独立调试通过后，再进行系统的软硬件综合调试.在调试输入波形整形模块时，首先检查该模块所有芯片的工作电压是否正常，调整工作电压后，再测试射随器的输出电压，如果其输出电压正常，则测试过零比较器的输出端，看其电压是否正常；如果不正常，可以稍微调整负载电阻，使其输出电压正常.实验所得数据均为正常情况下于实验室中测试得出，测试结果如表1所示.由表1数据可知，系统可以测量一定频率范围内2个同频正弦信号之间的相位差，并能达到稳定的测量精度（理论推算为0.5°，实际可达±3°）.测试结果存在的误差来源于所选基准时钟的准确性以及采用软件计数存在一定的延时.在实际应用中，CPLD可采用更高的晶振频率来增加频率的测量范围，并提高测量精度.本研究以微控制器ATmega 128和可编程逻辑器件EPM1270为核心，将单片机控制技术和电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA应用技术有机结合在一起，完成了低频数字式相位测试仪的设计与制作.由于可编程逻辑器件可以完成较大且较为复杂的逻辑处理任务，而且它灵活方便，易于移植，可通用性强，因此系统主要的逻辑功能均在可编程逻辑器件内部完成.本研究所设计的低频数字式相位测试仪采用CPLD，外围电路较为简单，工作可靠，电路调试和维护简单易行.【相关文献】［1］田秀丰，何继爱，李敏.低频数字式相位测量仪的设计［J］无线电通信技术，2008（2）：55－61.［2］陈明杰.低频数字相位（频率）测量的CPLD实现［J］.微计算机信息，2008，24（32）：224－225.［3］缪晓中.基于MCU＋CPLD的相位差和频率的测量方法研究及实现［J］.国外电子元器件，2008（7）：10－12.［4］姚远，王丽婷，郭佳静.低频数字式相位测量仪［J］.电子世界，2004（5）：39－41. ［5］潘洪明，邹立华，方燕红.同频正弦信号间相位差测量的设计［J］.电子工程师，2003，29（3）：41－42.［6］欧冰洁，段发阶.超声波隧道风速测量技术研究［J］.传感技术学报，2008，21（10）：1804－1807.［7］车惊春，韩晓东.Protel DXP印制电路板设计指南［M］.北京：中国铁道出版社，2004：94－110.［8］龙腾科技.Protel DXP循序渐进教程［M］.北京：科学出版社，2005：22－52.。
电子测量实验4 信号频率与相位分析 实验报告
实验四 信号频率与相位分析一、实验目的1 理解李沙育图形显示的原理；2 掌握用李沙育图形测量信号频率的方法；3 掌握用李沙育图形测量信号相位差的方法；4 用示波器研究放大电路的相频特性。
二、实验原理和内容1 李沙育图形扫描速度旋钮置”X-Y ”位置时，Y1通道变成x 通道，在示波器的y 通道(Y2)和x 通道(Y1，与Y2通道对称)分别加上频率为f y 和f x 的正弦信号，则在荧光屏上显示的图形称为李沙育(或李萨如)图形。
李沙育图形的形状主要取决于f y 、f x 的频率比和相位差。
例如，当f y /f x =1，且相位差为0时，屏幕上显示一条对角线；当f y /f x =2，且相位差为0时，屏幕上显示“∞”；当f y /f x =1，但相位差不为0时，屏幕上显示一个椭圆。
图4-1所示为f y /f x =2且相位差为0时的李沙育图形。
2 李沙育图形法测量未知信号的频率扫描速度旋钮置”X-Y ”位置，被测信号加到Y2通道，用信号发生器输出一个正弦信号加到X 通道（Y1），Y1、Y2的偏转灵敏度置相同位置，由小到大逐渐增加信号发生器输出信号频率，当屏幕上显示一个稳定的椭圆时，信号发生器指示的频率即为被测未知信号的频率。
3 李沙育图形法测量信号相位差 设u x = U xm sin (ωt+θ)，u y = U ym sin ωt ，分别加到x 通道（Y1通道）和Y2通道，扫描速度旋钮置”X-Y ”位置，荧光屏上显示的李沙育(或李萨如)图形如图5-2所示。
则mx x 01sin-=θ （4-1） 4 放大电路的相频特性研究放大电路的相频特性是指输出信号与输入信号的相位差与信号频率的关系。
采用李沙育图形法可以测量相位差。
保持输入信号幅度不变，改变输入信号频率，逐点测量各频率对应的相位差，采用描点法作出相频特性曲线。
三、实验器材1、信号发生器 1台2、示波器 1台3、实验箱 1台图4-1 f y /f x =2且相位差为0时的李沙育图形 U x t tU y图4-2李沙育图形法测相位差 x 0x m4、单管、多级、负反馈电路实验板 1块四、实验步骤1 观察李沙育图形（1）f x与f y同频同相时的李沙育图形用信号发生器输出一个1kHz、10mV p-p的正弦波，加到一个射极输出器，同时加到示波器的Y1通道。
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目录绪论 (1)摘要 (2)1 结构设计与方案选择 (3)1.1 基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述 (4)1.1.1 相位－电压法 (4)1.1.2 相位－时间法 (5)1.2 方案的比较与选择 (6)2 相位－时间法单元电路的原理分析与实现方法 (6)2.1 前置电路设计与分析 (6)2.1.1 放大整形电路的分析与实现 (6)2.1.2 锁相倍频电路的分析与实现 (7)2.2 计数器及数显部分的设计与分析 (9)2.2.1 计数器部分的分析与实现 (9)2.2.2 译码显示部分的分析与实现 (10)3 结论 (12)4 参考文献 (13)附录1：元器件名细表 (14)附录2：相位时间法总体电路原理图 (15)附录3：相位时间法总体电路PCB板 (16)附录4：相位时间法总体电路PCB板3D视图 (17)随着科学技术突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。
数字相位差测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具，比如在电力系统中电网并网合闸时，需要两电网的电信号相同，这就需要精确的测量两工频信号之间的相位差。
更有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中具备重要意义。
相位测量的方法很多，典型的传统方法是通过显示器观测，这种方法误差较大，读数不方便。
为此，我们设计了一种数字相位差测量仪，实现了两列信号相位差的自动测量及数显。
近年来，随着科学技术的迅速发展，很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的使用比较简单，功能越来越多。
本低频数字相位测量仪主要是测量电压和电流的相位差，由整形放大电路、基本门电路、锁相倍频、计数译码等集成电路构成。
测量的分辨率可达到0.1°，可测信号的频率范围为0Hz～250Hz，幅度为0.5Ⅴ，由于74HC4046的性能比较好，使得所制得的仪器精度相对较高，达到了任务书中所规定的要求。
本低频数字相位测量仪主要是测量电压和电流的相位差，由整形放大电路、基本门电路、锁相倍频、计数译码等集成电路构成。
为达到要求的精度本设计采用了锁相倍频电路，通过锁相环74HC4046和四片74LS90芯片组成的3600分频器。
整个模块实现3600倍频效果，使得精度达到0.1°。
本电路通过四片74LS161和四片7400构成的十进制计数器，并用四片4511和四个七段共阳极数码管来共同达到译码显示相位差的效果。
整个装置具有原理简单，测量精度高,测量范围宽，测量结果显示直观的特点。
关键词：相位测量锁相倍频器整流放大电路数字式相位差测量仪1 结构设计与方案选择1.1 基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述基于过零检测法数字相位测量仪工作原理，从变换方式来分，有将相位差变换成直流电压的，有将相位差变换成时间的。
后者又可以分为瞬时值相位法和平均值相位法。
下面就对这两种方法分别作介绍，最后再对这两种方法作对比分析。
其实为达到较高的精度且便于数字集成，本设计最终将采用相位差变换。
1.1.1 相位－电压法相位－电压法的实现原理如下，由于任务书中要求测量一电路中电压和电流的相位差，本设计的两路信号是以输入电压作为基准信号Fs，经过一个RC电路后提取电流信号Fr经电压比较器整形为方波信号，再2分频后得到的F S／2与F R／2送入由异或门组成的相位比较电路，其输出脉冲A的脉宽t p反映了两列信号的相位差，再经过RC电路积分后进行A/D转换。
根据相位差与电平成正比的关系，由芯片ICL7136组成的显示校正网络得到相位差值。
图中的D触发器用于判断F R与F S的相位关系，当Q为1时，F R超前F S，相位取正值，符号位显示全黑；当Q为0时，F R滞后于F S，相位取负值，符号位显示“-”。
其总体原理方框图和测量波形图分别如图1-1和图1-2。
图1-1 方案一总体原理方框图图1-2 测量波形图在上图中有V=v*tp/T.其中T为鉴相之后的波形周期，v为波形高度。
1.1.2 相位－时间法基于相位－时间法原理的测量仪的原理框图如图1-3所示。
基准信号(电压信号)fr经放大整形后加到锁相环的输入端，在锁相环的反馈环路中设置一个N=3600的分频器，使锁相环的输出信号频率为3600fr，但相位与fr相同，这个输出信号被用作计数器的计数时钟。
图1-3 总体原理方框图电流信号fs与电压信号fr经放大整形再2分频后得到的fs／2与 fr／2送入由异或门组成的相位比较电路，其输出脉冲A的脉宽tp反映了两列信号的相位差；利用这个信号作为计数器的闸门控制信号，使计数器仅在fr与fs的相位差tp内计数，这样计数器计得的数即为fr与fs之间的相位差。
由于计数时钟频率为3600fr，因此，一个计数脉冲对应0.1°。
计数的值经锁存译码后通过LED数码管显示。
这种测量方法可以从波形图图1-4得到理解和说明。
图中D触发器用于判断fr与fs的相位关系，D触发器的特性方程如下式(1.1),当Q为1时，fr 超前于fs，相位取正值，符号位数码管显示全黑；当Q为0时，fr滞后于fs，相位取负值，符号位数码管显示“-”。
图1-4 测量波形图1.2 方案的比较与选择通过对以上两种方法的基本原理分析与比较，本设计中的相位－时间法采用的是一种基于74HC4046的锁相功能和利用74LS90芯片制成的3600分频来达到信号的倍频效果，其精度可达到0.1°。
而相位时间法则是基于RC电路的积分和ICL7136芯片的显示校正网络来实现相位差的测量和显示，其测量精度和稳定度远远不如上一种方法高。
鉴于以上诸多因素，本设计最终选择相位－时间法。
2 相位－时间法单元电路的原理分析与实现方法2.1 前置电路设计与分析2.1.1 放大整形电路的分析与实现放大整形电路：是通过2片LM324运放和1片7404来实现放大整形电路的。
在相位差测量过程中，不允许电压和电流两路信号在放大整形电路中发生相对相移。
为了使两路信号在测量电路中引起的附加相移是相同的，如图1-3中A1安排了相同的电路。
如图2-1所示，第一级运放将输入信号放大K倍，其中k 和A2为放大倍数,K=1+R2/R1。
为了使信号能放大11倍，可以将R2设置为100K，将R1设置为10K。
C1为耦合电容，起作用为隔直流通交流。
第二级运放用作比较器，经3.3kΩ的限流电阻和DZ组成的限幅电路以及二极管D和7404整形后，使其转换成TTL电平的信号。
图2-1 放大整形电路Multisim模拟图2.1.2锁相倍频电路的分析与实现锁相倍频电路：是通过锁相环和分频器两个环节实现的。
设电流信号的最高工作频率为250Hz，测量的分辨率取0.1°，3600倍频后信号的频率为900KHz，故可选择最高工作频率为40MHz的锁相环74HC4046。
为了使fr在0Hz～250Hz时锁相环工作稳定，线性良好，入锁时间快，电阻电容参数选择见附录1的元器件名细表所标的值。
其电路原路图如图2-2所示。
图2-2 锁相倍频电路设经过放大整形后的两路信号分别记为fr’和fs’。
信号fr’由锁相环的14脚输入，输出信号经由4片74LS90芯片组成的3600分频器反馈到锁相环的3脚输入，其中两片90芯片组成两个六进制计数器，另两片组成两个十进制计数器，一起组成3600的分频器。
整个模块实现3600倍频的效果，使得测量的精度能达到0.1°。
图2-3为4046的引脚图，图2-4(a)、2-4(b)为90芯片的引脚图和功能图。
图2-3 4046引脚图图2-4（a）74LS90引脚图图2-4(b) 74LS90功能表2.2 计数器及数显部分的设计与分析计数器及数显部分由计数器译码器及5个7段共阳LED数码管实现。
数码管最高位LED5为相位超前滞后显示位，低4位数码管显示相位差的值。
计数器、锁存及译码电路由数字逻辑器件完成。
本设计选用74LS161计数及74HC4511译码来实现计数及数显部分的功能要求。
2.2.1 计数器部分的分析与实现本部分的核心部件是由十六计数器74LS161，它是边沿处罚的同步加法计数器，CLR为异步清零端，LOAD为置数端，以低电平为有效电平。
用一块74LS161和一片与非门采用反馈清零法可制成十进制计数器，四片161达到计数锁存相位差数值的效果，其电路原理图如图2-5。
其最低位161片的脉冲由经过异或门和经过锁相倍频后的两列波经过一个与非门产生，这是为了保证计数器能在所求相位差的脉冲时间内计数。
其输出端接译码器的输入端A、B、C、D。
其LOAD端与异或门出来后的信号相连，当停止计数时将触发置数端产生清零的效果。
图2-5 计数器原理图芯片74LS161的引脚图和功能表分别如图2-6(a)和2-6(b)所示。
图2-6(a) 74LS161引脚图图2-6(b) 74LS161功能表2.2.2译码显示部分的分析与实现译码显示部分是由四片74HC4511与四个7段共阳数码管来共同达到译码显示相位差的效果，第5个数码管引脚的G端与D触发器相连，用来显示相位差的超前或滞后当Q为1时，fr超前于fs，相位取正值，符号位数码管显示全黑；当Q 为0时，fr滞后于fs，相位取负值，符号位数码管显示“-”。
其电路原理图如图2-4。
芯片4511的LE端与异或门出来后的非门相连，当计数器停止工作时，4511将锁存 LE由0跳变到1时的BCD码的输入。
芯片74HC4511的引脚图和功能表如图2-8(a)和2-9(b)所示。
图2-7 译码显示原理图图2-8(a) 4511引脚图图2-8(b) 4511功能表结论1.设计总结实验证实，本系统能够比较精确检测频率为0~250Hz，幅度为0.5V的电压和电流的相位差，测量精度为0.1°，用数码管显示测量结果相当直观和清晰，且具备体积小、操作灵活、性能稳定和性价比高的特点。
本系统实现了题目基本部分以及发挥部分的要求，经过测试，相位测量仪幅度为0.5V，频率为0~250Hz的范围内稳定工作。
如果要进一步提高精度和简化设计，可将数字逻辑器件改为可编程逻辑器件，还可以加入相位测量的自适应调节，将锁相倍频的功能进一步完善，如改为可选测量的分辨率等，使得系统更趋于智能化、人性化的特点。
当然，本设计也有一些不足之处，如在调试的过程中数码管的显示不够稳定，这主要是因为输入信号要经过一个运放和一个3600的分频所致，还有一部分原因是所设计的系统比较庞大，所用元器件数量偏多，参数设置不太准确，导致总体效果不太好。
改进的方法是将前置运放的倍数提高，合理设置参数使锁相环的倍频稳定。