相位计电路的设计

目录
前言 (4)
第一章．设计要求与功能框图 (7)
第1.1节设计要求 (7)
第1.2节功能框图（功能分解） (8)
第二章背景知识 (9)
第2.1 节相关知识 (9)
第2.2 节主要原器件介绍 (12)
第三章电路设计
第3.1 节信号处理电路 (19)
第3.2 节信号相位锁定电路 (20)
第3.3 节相位检测电路 (21)
第四章总电路与工作原理
第4.1 节总电路图 (23)
第4.2 节工作原理 (24)
摘要
随着人们生活的日益丰富，科学技术的不断发展以与现代工业的日新月异，相位计电路的应用显得越来越为重要。

在现代的电路系统之中，一般的电路都可能发生谐振等。

对于电力系统，负载电压电流的相位产生的功率因数，导致系统能量传输效率下降。

另外，不当的相位，可能会导致系统的稳定出现问题。

对于通讯系统，相位导致的延迟，可能会使信号失真。

本文介绍了相位计电路的设计与其工作原理。

通过放大器，CD4046锁相环以与相位检测计来实现电路的相位检测调节。

关键词：相位计电路，放大器，锁相环，相位检测计
曹剑峰
指导朱永乐
Abstract
As people living increasingly rich,the developing science technology,the modern industry change with each passing day.Phase meter circuit is more and more important.In the modern electrical system, general resonant circuit can be changed, etc. For the power system, the power factor of load voltage and current phase, led to the decrease of the system energy transmission efficiency. In addition, improper phase, problems may lead to the stability of the system. For communication system, caused by phase delay, may make signal distortion.
This paper introduces the phase meter design and work principle of the
circuit,Through the amplifier, CD4046 phase lock loop and phase detector to achieve adjust phase detection circuit.
Key words:Phase meter circuit, Amplifier, Phase locked loop, Phase detector.
前言
相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。

交流电的大小和方向是随时间变化而变化的。

比如正弦交流电流，它的公式是i=Isin(ωt+φ)。

i是交流电流的瞬时值，I是交流电流的最大值，ω是交流电的角速度，φ是交流电流的起始相位，t是时间。

随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零。

在三角函数中ωt相当于角度，它反映了交流电任何时刻所处的状态，是在增大还是在减小，是正的还是负的等等。

因此把ωt+φ叫做相位，或者叫做相。

在电子技术中，相位是最基本的参数之一，相位测量在信号提取、检测、处理等方面有着重要的意义，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此相位的测量就显得更为重要。

在诸多领域都有广泛的应用。

当今世界各个国家的航天、通信、信号采集和信息处理分析等诸多领域飞速发展，竞争日益激烈。

基于相位测量所处的重要地位，相位测量仪仍需要不断地改进，以满足生产生活的实际需要。

相位测量仪也常用于学校实验室中，由于传统教学仪器使用不便或不易读出准确数值，实验室设备更新和硬件更新费时费力等原因，用锁相环来设计和实现相位测量仪来满足需要是一个相当不错的方法。

相位计电路（Phase meter circuit）随着电路的发展应运而生。

在一般的电路系统之中，负载电压电流的相位产生的功率因数，导致系统能量传输效率下降。

另外，不当的相位，可能会导致系统的稳定出现问题。

对于通讯系统，相位导致的延迟，可能会使信号失真。

相位一致性是指将图像傅里叶分量相位最一致的点作为特征点，它不但能够通过观察相位一致性高的点检测到阶跃特征、线特征以与屋顶特征等亮度特征，而且能够检测到由于人类视觉感知特性而产生的马赫带现象。

设一维信号为F(x)，则其傅里叶级数展开为：
假定信号的边界在相位一致性值较大的地方出现，相位一致性值PC(x)在0~1之间变化，1表示检测到了非常显著的边缘信息，而0表示没有检测到任何信息。

虽然利用相位一致性检测的边缘信号效果尚可，但是对信号频率分解的计算过程却非常复杂，实时性较差，所以对其进一步简化，得到近似模型，即局部能量模型。

2011年以来，随着政府刺激内需政策效应的逐渐显现以与国际经济形势的好转，相位计下游行业进入新一轮景气周期从而带来相位计市场需求的膨胀，相位计行业的销售回升明显，供求关系得到改善，行业盈利能力稳步提升。

同时，在国家“十二五”规划和产业结构调整的大方针下，相位计面临巨大的市场投资机遇，行业有望迎来新的发展契机。

在电子技术中，相位是最基本的参数之一，相位测量在信号提取、检测、处理等方面有着重要的意义，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此相位的测量就显得更为重要。

在诸多领域都有广泛的应用。

当今
世界各个国家的航天、通信、信号采集和信息处理分析等诸多领域飞速发展，竞争日益激烈。

基于相位测量所处的重要地位，相位测量仪仍需要不断地改进，以满足生产生活的实际需要。

相位测量仪也常用于学校实验室中，由于传统教学仪器使用不便或不易读出准确数值，实验室设备更新和硬件更新费时费力等原因，用锁相环来设计和实现相位测量仪来满足需要是一个相当不错的方法。

第一章设计要求与功能框图
1.1 设计要求
该相位计的技术指标罗列如下：
1）输入信号需为同频率的两信号，但其频率可以为未知的；
2）采用表头显示，显示范围为0°~359.9°；
3）采用直流电源+5V供电。

1相位测量能够保证测量精确度的频率范围
2相位量程相位测量无模糊测相的范围
3电平范围相位测量在规定的幅度-相位误差范围内所容许的最大信号电平范围。

4相位分辨率（相位灵敏度）相位测量能够分辨的最小单位。

它通常为显示最低一个数字代表的相位差。

5相位极性相位测量结果的极性是以参考信号的相位作为参考来定义的。

6相位准确度相位测量的实际值与理论值的偏差程度。

7相位-频率特性相位准确度或误差随信号频率变化的特性。

1.2 功能框图（功能分解）
此处输入信号A,B是同频率的正弦波电源。

第二章背景知识
2.1 相关知识
相位作为电的基本参数之一在电子工程技术中具有重要的意义，相位的测量随着科技的发展也经历了深刻的变革。

测量相位的方法有很多，像传统的借助于示波器测量相位其测量范围和测量精度受到很大的限制，在一些要求比较高的场合就不能用它了。

除此之外还有一些专用的用来测量相位的装置，例如：电子计数式测频装置，特别是微控制技术发展到一定阶段后像单片机的出现使相位测量的设计发展到一定的水平和高度。

在任务书的基本要求中提出相位测量仪的频率范围kHz Hz 20~20，相位测量仪的输入阻抗大于等于ΩK 100，允许两路输入正弦信号峰峰值可在0.3V~0.5V 范围内变化，相位测量绝对误差小于等于2º，具有频率测量与数字显示功能，相位差数字显示，要求相位读数为0~360º，分辨力为0.1º。

测相的原理:
如图2-1所示，)(t u i ，)(t u o 分别为被测网络的输入输出信号，)(t u i ，)(t u o 的相位差是θ=360ºT
T 1⋅，现在对于相位测量仪来说T 和1T 均未知。

通常对于相位差的测量有以下几种方法：
图2-1 相位测量原理
2.1.1 示波器测量法
用示波器测量相位差的方法。

其测量机理是利用双线示波器。

将两个信号)(t u i ，)(t u o 分别接到示波器的两个通道，示波器置双路显示方式，同步触发源信号选择两被测信号之一，最好选择其中幅度较大的那一个，调节有关旋钮，使荧光屏上显示两条大小适中的稳定波形，如下图2-2所示，利用荧光屏上的坐标测出信号的一个周期在水平方向所占的长度X t ，然后再测出两波形上对应点（如过零点、峰值点等）之间的水平距离X ，则相位差θ为
θ= t
x x 360º
图 2-2 双踪示波法测量相位差
利用示波器的多波显示，是测量相位差的最直观、最简便的方法，而且对所有频率信号均能进行。

尤其适用于测量电路内部的固有位移。

但准确度较低。

2.1.2 过零检测技术法
所谓过零检测就是采用一种电路或专门技术准确检测并指示信号的过零点
所处位置。

它具有以下优点：相位信息从正弦信号的过零点提取，因为正弦信号的过零点的导数有极大值（波形斜率最大），故测量的灵敏度和精度高，它对信号幅度的依赖性小；由于采用脉冲鉴相技术，鉴相器的线性很好，即鉴相误差与被测相位值大小无关；相位计容易实现数字化和自动化。

这种设计技术的实现采用了单片机与CPLD相结合方式。

即用单片机完成人机界面、系统控制、信息分析、处理和变换，用CPLD完成数据采集与显示控制逻辑。

2.2 主要原器件介绍。

异或门
异或门（英语：Exclusive-OR gate，简称XOR gate，又称EOR gate、ExOR gate）是数字逻辑中实现逻辑异或的逻辑门，有2个输入端、1个输出端。

若两个输入的电平相异，则输出为高电平1；若两个输入的电平相同，则输出为低电平0。

虽然异或不是开关代数的基本运算之一，但是在实际运用中相当普遍地使用分立的异或门。

大多数开关技术不能直接实现异或功能，而是使用多个门设计，如下图所示
图2-1异或门的原理图
异或门能实现模为2的加法，因此，异或门可以实现计算机中的二进制加法。

半加器就是由异或门和与门组成的。

异或门的逻辑函数如表2-2所示：
表2-2异或门逻辑函数表
异或门的常用逻辑符号如下图所示。

对异或门的任何2个信号（输入或输出）同时去反，而不改变结果的逻辑功能。

在“圈到圈”的设计中，我们选用最能表达要实现的逻辑功能的符号如图2-3。

图2-3，异或门的逻辑功能图
逻辑表达式：B A B A B A Y +=⊕=
CD4046锁相环
CD4046是通用的CMOS 锁相环集成电路，其主要特点是：
1. 电源电压范围宽（为3V-18V ）;
2. 输入阻抗高（约100M Ω）;
3. 动态功耗小，在中心频率f0为10kHz 下功耗仅为600μW ，属于微功耗器件。

图2-4 是CD4046的引脚排列，采用16脚双列直插式。

表2-5 CD4046引脚功能描述:
图2-4 CD4046的引脚排列
CD4046锁相的意义是相位同步的自动控制,功能是完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环,简称PLL。

它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制与时钟同步等技术领域。

锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成,如图2-6所示。

图2-6 锁相环的工作流程
下图2-7是CD4046内部电原理框图，主要由相位比较1，2，压控振荡器（VCO）,线性放大器，源跟随器，整形电路等部分构成。

比较器1采用异或门结构，当两个输入信号Ui，Uo的电平状态相异时（即一个为高电平，一个为低电平），输出信号UΨ为高电平；反之，Ui，Uo电平状态相同时（即两个均为高电平，或均为低电平），UΨ输出为低电平。

当Ui，Uo的相位差Δφ在0º-180º范围内变化时，UΨ的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦在改变。

从比较器1的输入和输出信号的波形可知，其输出信号的频率等于输入信号的频率的两倍，并且与两个输出信号之间的中心频率保持90º相移。

从图中还可知，fout不一定是对称波形。

对相位比较器1，它要求Ui，Uo的占空比均为50％（即方波），这样才能使锁定范围为最大。

相位比较器2是一个由信号的上沿控制的数字存储网络。

它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。

它提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，它在相位比较器2的两个输入信号之间保持0º相移。

图2-7 CD4046的工作原理图
图2-8 电容充放电
图2-9
对相位比较器2而言，当14引脚的输入信号比3引脚的比较信号频率低时，输出为逻辑“0”；反之则输出逻辑“1”。

如果两信号的频率相同而相位不同，当输出信号的相位滞后于比较信号时，相位比较器2输出的正脉冲，当相位超前时则输出为负脉冲。

在这两种情况下，从1脚都有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。

从相位比较器2输出的正、负脉冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差。

而当两个输入脉冲频率和相位均相同时，相位比较器2的输出为高阻态，则1脚输出高电平。

上述波形如图2-8所示。

由此可见，从1脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以判断两个输入信号的情况了。

CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容C1和电容R1作为充放电原件。

当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。

由于VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容C1的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使VCO的震荡频率亦正比于该控制电压。

当VCO控制电压为0时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压VDD时，输出频率则先行地增大到最高输出频率。

VCO震荡频率的范围由R1，R2和C1决定。

由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成，故它的输出波形是对方波。

一般规定CD4046的最高频率为1.2MHz（VDD=15V）,若VDD<15V，则fmax要降低一些。

CD4046内部还有线性放大器和整形电路，可将14脚输入的100mV左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相位比较器。

源跟踪器是增益为1的放大器，VCO的输出电压经源跟踪器至10脚作FM解调用。

齐纳二极管可单独使用，其稳压值为5V，若与TTL电路匹配时，可用作辅助电源。

综上所述，CD4046工作原理如下：输入信号Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大，整形后加到相位比较器1，2的输入端，图2-7开关拔至2脚，则比较器1将从3脚输入的比较信号U0与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压UΨ则反映出两者的相位差。

UΨ经R3，R4与C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1.VCO的输出又经除法器再进入相位比较器1，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2=f1,两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。

若开关K拨至13脚，则相位比较器2工作，过程与上述相同。

第三章电路设计
3.1 信号处理电路
A1
图3-1 信号处理电路
电路中，C1是隔直流电容，具有单向导通性能的二极管VD1，VD2是为了防止信号输入为负的，或者太高的电压。

异或门H1接成反相器，下面并联R1电阻形成一个放大器。

+5V的稳压电源保证上输入端是高电势。

下输出端通过二极管接地保证电源输入电压介于之间。

两个输入电源通过异或门放大器输出，进入相位锁定电路。

3.2 信号相位锁定电路
图3-2
信号相位锁定电路
下图为锁相环CD4046的电路原理图
A1
A2
该锁相环输入信号Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大，整形后加到相位比较器1，2的输入端，图中开关拔至2脚，则比较器1将从3脚输入的比较信号U0与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压UΨ则反映出两者的相位差。

UΨ经R3，R4与C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1.VCO 的输出又经除法器再进入相位比较器1，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2=f1,两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。

若开关K拨至13脚，则相位比较器2工作，过程与上述相同。

输入信号通过信号相位锁定电路转换为具有固定占空比和振幅为5V的数字信号。

输入信号B执行与信号A一样的信号处理以与相位锁定电路。

3.3相位检测电路
A2
B2
图3-3 相位检测电路
输入信号1，2通过H3进行相位比较，积分器R11和C11对输出信号进行平均，通过运放输出端接到反相输入端，从而接成电压跟随器，对输出起到缓冲的作用。

当源输入信号A,B相位差愈大，由A1输出的电压就俞高。

表头M，电阻R12和微调电位器RP1组成相移指示器，因此用5V的稳压电源为该相位计供电。

第四章总电路与工作原理4.1 总电路
图4-1 相位计电路图
4.2 工作原理
如图4-1是CD4046构成的相位计电路，它可以测量两个频率相同而相位不同的正弦信号的相位差。

电路中，1C ,2C 是隔直流电容，钳位二极管1VD ,2VD ,3VD 和4VD 防止输入信号为负的或太高的电压。

异或门1H 和2H 接成反相器，而1R 和
2R 就是连接在反相器的输入端和输出端之间的偏置电阻。

因此1H 和2H 偏置为线性放大器，经过其放大之后的信号耦合到CD4046(1)和CD4046(2)，CD4046(1)和CD4046(2)跟踪输入信号频率并将其转换为具有固定占空比（50%）和振幅为5V （峰-峰值）的数字信号。

3H 起相位比较器的作用，其输出信号由积分器11R 和11C 予以平均。

运放1A 的输出端接到反相器输入端，接成电压跟随器，起缓冲输出的作用。

输入信号A 和B 之间的相位差愈大，由1A 输出的电压就愈高。

表头M 、电阻12R 和微调电位器1RP 组成相移指示器，指示的电压范围在0到正电源之间，因此，必须用5V 稳压源为该相位计供电。

进行校准时，将CD4046(1)和CD4046(2)从插座中拔出，将CD4046(1)插座的3脚通过10ΩK 接地，再将CD4046(2)插座的3脚用相同的电阻接到16脚，接通电源，这时3H 的1脚约为0V ，2脚约为+5V ，输出（3脚）应为+5V ，可以调节1RP 使表头M 的指示为180º。

然后取下两个10ΩK 电阻，插上CD4046即可。

参考文献
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[7]陈希有.电路理论基础.[M]：高等教育
[8]张肃文.高频电子线路（第五版）.[M]：高等教育
致谢
毕业论文能够顺利完成，再次我要表达我最诚挚的感谢！
首先要感谢我的指导老师朱永乐老师，从选题到论文的结构到最终的定稿成文，朱老师都给与了我很多的支持和指导，帮助我顺利的完成我的本科毕业论文，并且在写作的过程中回顾了大学中学到的不少知识，也学到了很多新知识。

其次我要感谢和我写作相关的文章的作者们，本文的写作初衷以与部分观点是受了他们的启发，再次对这些作者表示诚挚的谢意。

再次感谢在我大学四年中所有帮助过我的老师和朋友，感谢他们陪我度过美好的大学生活。

最后，衷心的感谢所有审阅论文和参加答辩的专家教授。

由于学识和写作水平有限，文中难免出现纰漏，恳请老师和同学批评和指正。