数字式相位差测量仪

一、设计目的与任务《电子信息工程专业方向》课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在完成本专业所有课程学习后必须接受的一项结合本专业方向的、系统的、综合的工程训练。

在教师指导下，运用工程的方法，通过一个较复杂课题的设计练习，可使学生通过综合的系统设计，熟悉设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，掌握必须提交的各项工程文件。

其基本目的是：培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用电路设计和有关先修课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固，加深和扩展有关电子类方面的知识。

通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养：(1)独立工作能力和创造力；(2)综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；(3)查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；(4)工程绘图的能力；(5)编写技术报告和编制技术资料的能力。

二、技术指标与要求1、被测信号为正弦波(或者是方波)，频率为40~60Hz，幅度大于等于0.5V；相位测量精度为1度；用数码管显示测量结果。

2、主要单元电路和元器件参数计算、选择；3、画出总体电路图；4、提交格式上符合要求、内容完整的设计报告三、工作原理在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中,常常需要测量两列同频信号的相位差。

例如,电力系统中电网并网合闸时,要求两电网的电信号之间的相位相同,这需要精确测量两列工频信号的相位差。

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,我们设计一种数字式相位差测量仪,该仪以可编程逻辑器件(PLD) 和锁相环(PLL) 倍频电路为核心,实现了两列信号相位差的自动测量及数显。

相位差测量仪的原理框图(以分辨率为1°为例)如图1 所示。

基准信号(相位基准) f R 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 = 360 的分频器,使锁相环的输出信号频率为360f R ,但相位与f R 相同,这个输出信号被用作计数器的计数时钟。

被测信号f S 经放大整形再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f R 与f S的相位差tp 内计数,这样计数器计得的数即为f R 与f S 之间的相位差。

于计数时钟频率为360f R ,因此,一个计数脉冲对应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2 得到理解和说明。

图中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 超前于f S ,相位取正值,符号位数码管显示全黑; 当Q 为0 时, f R 滞后于f S ,相位取负值,符号位数码管显示“ - ”。

四、总体框图五、各模块电路分析1 移相网络所谓移相是指两种同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的移动，即称为是相位的移动。

两路信号的相位不同，便存在相位差，简称相差。

若我们将一个信号周期看作是360，则相差的范围就在0°～360°。

：两个同频信号之间的移相，是电子行业继电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段，利用移相原理可以制作校验各种有关相位的仪器仪表、继电保护装置的信号源。

因此，移相技术有着广泛的实用价值。

我们知道，将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。

以延时的长短来决定两信号间的相位值。

这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。

也就是说，只要能够测量出该延迟时间，我们就可以推算出其相位差值。

2．方案实现本系统由移相网络，相位测量仪，数字移相信号发生器组成。

其中相位测量仪由单限（过零）比较器，逻辑门电路，单片机系统组成。

数字式移相信号发生器由单片机软件编程实现，频率可调并可以步进。

移相网络由相位超前，滞后网络及放大电路组成。

键盘电路与显示电路用来预置初始状态与显示结果。

（1）移相网络：具体电路图如图1。

在该电路中相角和电压幅值均可以改变。

本电路中第一部分是由741和RC网络所构成的超前移相电路和滞后移相电路，第二部分为TL072运算放大器构成的低噪声高增益放大电路。

调节RR，R4可以改变输出电压幅度，R3为调零相位电。

超前，滞后网络的相关理论：（如下图）对于超前网络：/0()/0)1/0*1*1*/(*1)arc */(*1)1(/0)(/0)200()w w A jw jw w jw w a a a j a a a aa a a tg a a a a arctg w w arctg f f f RC R C arctg RC θπ=+=+++++==== （另a=相角与频率的关系：=其中关于滞后网络：()(/0)1/01*1*/(*1)arc /(*1)1()()2R A jw a w w jw w R aR j a a a aaR a a tg R a a arctg a arctg a f RC θπ==+=-++-++=-=-=令相角与频率的关系：=其中根据题目要求，不同情况下具体的参数由上述公式计算。

注意：具体调试电路的时候应根据以上公式，当输入频率改变的时候，应改变超前，滞后网络中R ，C 参数，此时才可以改变相位差。

2放大整形电路的分析与设计电路：在相位差测量过程中，不允许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，图1中A1和A2安排了相同的电路。

如图3所示，第一级运放将输入信号放大10倍，第二级运放用作比较器，经3.3k Ω的限流电阻和DZ 组成的限幅电路以及二极管D 和7414整形后，使其转换成TTL 电平的信号3、锁相倍频电路设被测信号的工作频率为50hz ,测量的分辨率取1°,360倍频后信号的频率为18000hz故可选择最高工作频率为40MHz 的锁相环74HC4046。

而360分频器可采用计数器。

在这里我们采用的是4040计数器。

CC4040 是12 位二进制串行计数器。

所有的计数器为主从触发器。

计数器在时钟下降沿进行计数。

CR 为高电平时，对计数器进行清零。

由于在时钟输入端使用斯密特触发器，对脉冲上升和下降时间无限制，所有输入和输出均经过缓冲。

CC4040 提供了16 引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。

引出端符号：CP 时钟输入端CR 清除端Q0～Q11 计数器脉冲输出端VDD 正电源Vss 地推荐工作条件：电源电压范围…………3V～15V输入电压范围…………0V～VDD工作温度范围M 类…………－55℃～125℃E 类………….－40℃～85℃极限值：电源电压…...－0.5V～18V输入电压……－0.5V~VDD+0.5V输入电流…………….±10mA储存稳定…………－65℃～150℃我们将360化作二进制即为000101101000，然后我们就将对应的引脚连接起来，即可成为360分频器。

让后将分频器输出作为锁相环的基准信号，即可得到360倍频信号。

3、计数器及数字显示部分这里我们使用的是4518双四位异步BCD码加法器。

Cr 为异步清零端高电平有效。

当cr为0时，cp为0，这是en下降沿触发计数，当en为0，cp上升沿触发计数。

将低位的最高位与另一个计数器触发端相连便构成了带进位的十进制计数器。

CC4511 是BCD－7 段所存译码驱动器，在同一单片结构上由COS/MOS 逻辑器件和n－p－n 双极型晶体管构成。

这些器件的组合，使CC4511 具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达25mA 的性能。

由此可直接驱动LED 及其它器件。

LT 、BI 、LE 输入端分别检测显示、亮度调节、存储或选通一BCD 码等功能。

当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。

CC4511 提供了16 引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。

4、相位超前于滞后显示部分将被测的两个信号经过二分频之后，接入D触发器，其中信号a接D 端，信号b接cp端。

如果输出端Q为1，则a超前b，反正如果Q为0，则a 滞后b。

将Q端接一发光二极管，即可指示相位的超前与滞后情况。

六、仿真在Proteus7里面进行仿真，在仿真过程中，我们对电路中各个模块的信号进行了测试。

其中信号进过前置放大电路之后，变成矩形脉冲波，说明我们的前置放大电路是正确的。

在比较了a，b信号的波形之后，我们明显看到了相位差。

而两个信号经过异或门之后成为了相位差波形。

说明移相电路正确。

我们测量了倍频信号的输入与输出端，其中输入为50HZ,而输出为18016HZ，说明倍频电路部分也是正确的。

在总体仿真部分，输入50HZ的正弦波，我们从数码管上读出的值为53，54.即两个信号的相差为53。

实现了课程设计的要求。

测试波形七、心得体会课这两周的课程设计是一段艰苦的旅程，开始拿到课题，简直感觉摸不着头脑，在老师的讲解下，才稍微理解了些。

在图书馆查找资料的时候，心里更是茫然，一点头绪都没有。

还好在小组成员的帮助下，才把原理图弄出来。

最头疼的还是仿真的时候，都不知道从什么地方下手，经过老师的提示才明白从何下手，平常学习中低通滤波器学的很多，但在实际运用中还是出了很多问题，在仿真了几次之后终于把大致的结果仿真出来了，心中的那块大石终于安稳的落地了。

在仿真的过程中，各个模块电路经过测试没有问题，但组合到一起之后，最终结果总是一直变化，这与理论上有一定的差别。

在老师的指导下，在全组的共同努力之下，最终我们解决了这个问题，在规定的时间内圆满完成了这次设计的任务。

八、参考资料[1]童诗白．模拟电子技术基础(第2版)．北京：高等教育出版社，1998[2J于志成编著．,Eft-电路技术(第1版)一b京：机械工业出版杜l986 [3]张永瑞、刘振起、杨林耀、顾玉昆．电子测量技术基础．西安：西安电子科技大学[4]1994张志良主编．数字电子技术[5]徐仁贵主编锁相环在电子电路中的应用 b京：机械工业出版社．1999同魏志派电子技术实践中央广播电视大学出版社。