相位测量仪

辽宁工业大学

电子综合设计与制作（论文）题目：低频数字式相位测量仪

院（系）：电子与信息工程学院

专业班级：电子班

学号：

学生姓名：

指导教师：

教师职称：

起止时间：2013.12.13-2014.1.10

电子综合设计与制作（论文）任务及评语

摘要

该设计是低频数字式相位测量仪，设计思路为输入一个低频正弦信号通过分支路正常输出，另一路不通过移相器输出一个相位改变频率不变的正弦波。得到上述两路频率相同相位不同的信号后就要测出两信号的相位差和频率，在做此工作前先要经过相位测量前置级信号处理电路，由阻抗变换和放大、限幅、电平转换、整形电路组成。经过相位测量前置级信号处理电路得到两路方波，通过异或门输出一个脉冲序列与晶振产生的基准脉冲波进行与操作得到调制后的波形，在一定的时间范围内对脉冲的个数进行计数通过计算得到相位差和频率。再通过单片机控制显示器显示出所需结果。

关键词：低频；正弦；移相器；异或门；整形；

目录

第1章可编程增益放大器设计方案论证 (1)

1.1可编程增益放大器的应用意义 (1)

1.2可编程增益放大器设计的要求及技术指标 (1)

1.3 设计方案论证 (2)

1.4 总体设计方案框图及分析 (3)

第2章可编程增益放大器各单元电路设计 (4)

2.1 输入调整电路设计 (5)

2.2 中间级放大电路设计 (5)

2.3 输出级电路设计 (5)

2.4 增益调整电路设计 (6)

第3章可编程增益放大器整体电路设计 (7)

3.1 整体电路图及工作原理 (7)

3.2 电路参数计算 (7)

3.3 整机电路性能分析 (8)

第4章设计总结 (9)

参考文献 (10)

第一章低频数字式相位测量仪设计方案论证

1.1低频数字式相位测量仪的应用意义

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，这使得仪器的功能丰富而使用简单。低频数字式相位测试仪在工业领域中是经常用到的通用测量工具。在电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的信号相同，这就要求精确的测量两工频信号之间的相位差。还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有重要意义。本低频数字式相位测量仪由AT89C51芯片和小规模集成电路构成。由于AT89C51芯片和可编程逻辑器件的集成度高，智能程度高，功能强大，使得它实现起来比较简单，而且具有体积小、性价比高、性能稳定的特点。

1.2低频数字式相位测量仪的要求及技术指标

任务和要求：

（1）设计并制作一个低频数字式相位测量仪

a．频率范围：20Hz～20kHz。

b．相位测量仪的输入阻抗≥100k 。

c．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V～5V范围内变化。

d．相位测量绝对误差≤2°。

e．具有频率测量及数字显示功能。

f．相位差数字显示：相位读数为0o~359.9o，分辨力为0.1°。

（2）制作一个移相网络

a．输入信号频率：100Hz、1kHz、10kHz。

b．连续相移范围：－45°～＋45°。

c．输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。

1.3设计方案论证

方案一：输入两路低频率正弦信号通过方波整形输出方波，再由异或门得出一个方波信号，经过计数填充的方法求得相位差。由单片机控制显示器得出结果。

方案二：输入一路低频正弦信号，一边通过移相器输出，一侧原路输出，再分别由整形电路输出方波吗，再由异或门得出一个方波信号，经过计数填充的方法求得相位差。由单片机控制显示器得出结果。

1.4总体设计方案框图及分析

根据设计方案的简便易操作原理，这里采取方案二。整体框图如下，计数器输出结果和移相器到显示器的结果由双刀双掷开关控制，通过单片机控制显示器分别显示所需要的结果。

第二章 低频数字式相位测量仪各单元电路设计

2.1输入正弦信号电路设计

输入正弦信号后，相位测量前置级信号处理电路，由阻抗变换和放大、限幅、电平转换、整形电路组成。如下图所示。

2.2相位和频率测量电路设计 （1）相位测量

输入两路同频率的正弦波信号，其波形表达

式分别为：

)sin(111ϕω+=t V v m )sin(222ϕω+=t V v m

当两路信号的频率相同时，相角差2θϕϕ1＝－是一个与时间无关的常数，将此两路正弦波信号经过放大整形成两路方波信号f1、f2，经过异或门输出一个脉冲序列A ，与晶振产生的基准脉冲波B 进行与操作得到调制后的波形C ，在一定的时间范围内对B 、C 中脉冲的个数进行计数得b N 、C N ，则其相位差计算公式为

C N 360×N 2

b οθ＝

采用多个周期计数取平均值的方式以提高测相精度。

（2）频率测量

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率.频率是在单位时间(1S)内信号周期性变化的次数.如果我们能在给定的1S 时间内对信号波形计数,并将计数结果显示出来,就能读取被测信号的频率. 其频率可表示为：

N f =

数字频率计首先必须获得相对稳定与准确时间,同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号,然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数,将其换算后显示出来.这就是数字频率计的基本原理. 2.3移相电路设计

可调电阻3p R 下端电位为：jwC

R jwC

V V in +⨯

=下

上端电位为：jwC

R R

V V in +⨯

=上（V in 为输入信号，w 为输入信号的角频率）。通过调

节电位器R P3来改变比例常数A 、B ，从而改变输出信号的相位。通过调节电位器Rw2

和Rw3改变输出信号幅度，矢量图如图10。 输出电压

))()((2

11

11V B A j B A V j

V B j V A V B A V in

in in OUT --+=

-⨯⨯++⨯⨯=⨯+⨯=下上 该模拟电路主要采用高、低通电路的临界截止点来产生极值相位的偏移。当高、低通电路的截止频率等于输入信号频率时，根据其幅频特性，信号波形所产生的相位分别为45°和-45°，恰好满足要求的连续相移范围-45°~45°的调节。由于高、低通电路在截止点时会产生幅度的衰减，故电路在后级加了放大电路，且采用了电压串联负反馈的

方式提高了输入阻抗并降低了输出阻抗，电路最后还设计有调幅装置，能够很好地满足