相位测量方案

制信号控制两片计数器。得到的两路计数值送入单片机进行处理得相位差值。

对以上方案进行比较，方案一在所测频率较高时，受锁相环工作频率等参

数的影响会造成相位差测量的误差，采用方案二由高精度的晶振产生稳定的基

准频率，可以满足系统高精度、高稳定度的要求。

相位测量论证与选择

方案一：利用单片机实现测量相位差，实现框图如图1-1所示。

信号1整形电路方波1测频

键盘

信号2整形电路方波2异或门

测脉宽单片机

显示DFF

图1-1利用单片机实现测量相位差原理图

直接利用单片机的内部时钟以异或门的输出为闸门进行计数。理论上晶振为12M时MCS-51单片机的最窄脉宽为1us，误差即为±1us。当要实现1︒的步进时，计数脉宽最少为360us，以正弦波计，最高的频率为

1

360*10-6

＝2.78KHz。显然，此种方法硬件原理上难以保证测量精度，需在软

件上采用∆∑技术来提高精度，增加了软件量。

方案二：采用相差－电压测量法。即通过数字鉴相器，如异或门鉴相电路

输出相差脉冲，经过低通滤波器滤出其中的直流成分（其中含有相位信息），设

计原理框图如图1-2所示。

信号输入1数字

鉴相器滤波器A/D单片机显示信号输入2异或门

图1-2数字鉴相、相位－电压法原理框图

此方案为数字方法与模拟方法相结合，数字鉴相器的设计解决了模拟鉴相器的频带限制，但精度问题依然存在。

方案三：采用相差－时间测量法。设计原理框图如图1-3所示。

信号输入A 信号输入B

数字

鉴相器

周期/脉冲

计数/锁存

单片机显示

⨯360O

∆ϕ=n

N

其中，n为方波相位差对应时间间隔内的脉冲数，N为方波一个周期内的脉冲数。

上述两种方案从对硬件的要求而言，方案一在FPGA芯片基础上需要一片CD4046和一片AD0809，而方案二则在FPGA芯片基础上只需要一片LM393；从测量性能方面来说，在低频率方面，方案一的相位差总共只能有256个量级，而采用通过FPGA记脉冲数的方法测量的精度将远远高出此量级。因此，选用方案二，采用比较器LM393和FPGA来实

现测相。

相位差测量

方案一：将被测的两路正弦波信号整成方波信号，利用异或门电路进行鉴相处理，将得到的脉冲序列经过RC平滑滤波取出其直流分量，该直流电平的幅值与两路信号的相位

差成正比，将此信号送入A/D转换器由单片机进行运算处理从而计算出相位差值。

方案二：采用脉冲填充计数法，将正弦波信号整成方波信号，其前后沿分别对应于正弦波的正相过零点与负相过零点，对两路方波信号进行异或操作之后输出脉冲序列的脉宽可以反映两列信号的相位差，以输入信号所整成的方波信号作为基频，经锁相环倍频得到的高频脉冲作为闸门电路的计数脉冲，由单片机对获取的计数值进行处理得到两路信号的相位差。

方案三：将两路被测正弦波信号整成方波信号，通过图3-5所示的鉴相器，输出一路具有不同占空比的脉冲波形。由图３-６的仿真波形可知，该脉冲信号的占空比与这两路信号

图3-5鉴相器原理图

图3-6鉴相器的仿真波形

的相位差成正比：

相位差=N1*360°/（N1+N2）(3-5)其中N1是高电平脉宽时间内的计数器，N2是低电平脉宽时间内的计数值。

8

4

9对以上三种方案进行比较，方案一在低频段时，RC 滤波电路的输出波动很大，难以 达到要求的相位精度，而方案二在所测频率较高时，受锁相环工作频率等参数的影响会造 成相位差测量的误差，极大地影响测量的精度，采用方案三由高精度的晶振产生稳定的基 准频率，可以满足系统高精度、高稳定度的要求。

3’相位测量及显示电路：

本部分电路不采用相敏整流法，避免了模拟电路得不好控制，不易数字化 的缺点，而是采用单片机 89c52，利用高频计数器 cd4040 和逻辑电路来实现的 相位测量。这部分的电路图是

工作原理： 由于这部分的输入是有相移的两路正弦信号，而要实现其数字 化，所以要把正弦信号转化成方波信号，其电路如下：

ㅔㅔㅔć

가가가ﺣ

가 가A

2

1

가가가

가 가가 가 가

가가 1

가

가

가가가가

ㅔɄ

ㅔㅔㅔā

output 输出的波形为

output 输出的波形再与固定的晶振脉冲 相与非产生新的脉冲信号，作为 CD4040 的 CP 脉冲，计算脉冲个数。CD4040 工作方式：

当 RST 脚为“0”时，计数器开始计数，CLK 脚为脉冲输入端；当 RST 脚 为“+1”时，计数器的各脚清零。所以在 output 脚输出的信号的一个周期内， 计数器计数一次。为扩大测量的相移差的范围，采用两片 CD4040.达到 24 位的 要求。计算参数如下：

ϕ x = ⨯ 360︒ 即为相位差的度数。

故有： MT CP T O

分析与比较:纵观上述两种方案，方案一是将相位差信号转变为电压信号进行测量，对

单一频率信号的相位检测时，相位差信号与电压信号之间存在唯一对应关系，电压的高低 反应了相位的大小，但当输入的信号频率在一定范围可变时，此方法不适用。原因有二:一

是相位变化会引起输出电压信号U O 的变化，二是频率变化也会影响输出信号U O 的变化。

所以对于 20Hz -20KHz 范围内的信号检测系统的输出U O 与被测信号的相位之间不存在唯一

对应关系。方案二是将相位差信号转变为时间信号进行测量，相位差与(T X /T)之间始终存 在一一对应关系，因此不管频率如何变化，只要测量出(T X /T)大小，相位差的大小也就确 定了。

因此我们采用方案二。

1.3 相频特性测量

方案一：使用鉴相器，将相位差转换为电压值测量。由于受到鉴相器的性能 限制，此方案精度不太高。

方案二：相位差可以通过占空比进行测试，但正弦波占空比不易测量，因此 需先将正弦波通过过零比较整形为方波。再由如下图所示原理将通过被测网络 前的方波信号 f1 和通过被测网络后的信号 f2 相与，从而得到两者的相位差 A ，再将 A 和高频脉冲 B 相与得到 C ，对 C 进行多周期计数来求得每个周期中高 电平占空比，即可得到相差。

图 1-1

综上考虑，方案二的测量精度高，我们采用了方案二。