数字式相位差测量仪说明书4

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A

1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A

2

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