基于集成运放的相位差检测电路设计

课程设计名称：电子技术课程设计

题目：基于集成运放的相位差检测

电路设计

学期：2016-2017学年第2学期

专业：

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

辽宁工程技术大学

课程设计成绩评定表

摘要

本课程设计主要要求是设计一个基于集成运放的相位差检测电路。整流滤波电路是提供直流电源的。首先，要把信号源进行移相，用到RC移相电路，配合上集成运放，然后同时把移相之前的信号源和移相之后的信号源给两个过零比较器，结果输出的不是高电平就是低电平，完成了对模拟信号转化成数字信号的任务。他们先异或，接着通过和一个来自555定时器的信号进行与逻辑，然后给在和计数器的clk端进行与逻辑，完成对周期长度和计时器的控制，达到采样的目的，最后数码管显示相位差。完成了相位差检测的功能。

目录

1、综述

2、原理及技术指标

3、单元电路设计及参数计算

3.1整流滤波电路

3.2 RC移相电路

3.3 555定时器电路

3.4计数器显示部分

3.5 参数计算

4、仿真

5、设计比较

6、结论

7、设计体会

参考文献

1 综述

振幅、频率和相位是描述正弦交流电的三个“要素”。以电压为例，其函数关系为

u=Umsin(ωt+φ0)

式中：U m 为电压的振幅；ω为角频率；φ0为初相位。

设φ=ωt+φ0,称为瞬时相位，它随时间改变，φ0是t=0时刻的瞬时相位值。两个角频率为ω1，ω2的正弦电压分别为

u 1=U m1sin(ω1t +φ1)

u 2=U m2sin(ω2t +φ2)

它们的瞬时相位差为

Θ=(ω1t +φ1)- (ω2t +φ2)

=(ω1-ω2)t+(φ1-φ2)

显然，两个角频率不相等的正弦电压（或者电流）之间的瞬时相位差是时间t的函数，它随时间改变而改变。当两正弦电压的角频率ω1=ω2=ω时，有

Θ=φ1-φ2

由此可见，两个频率相同的正弦量间的相位差是常数，等于两正弦量的初相位之差。在实际的工作之中，经常需要研究诸如放大器、滤波器等各种器件的频率特性，即输出、输入信号间的幅度比随频率的变化（幅频特性）和输出、输入信号间的相位差随频率的变化关系（相频特性）。尤其在图像信号传输与处理、多元信号的相干特性显得更为重要。

相位差的测量是研究网络相频特性中必不可少的重要方面，如何使相位差的测量快速、精确已成为生产科研中重要的研究课题。

测量相位差的方法很多，主要有：用示波器测量；把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔，再换算为相位差；把相位差转换为电压，先测量出电压，再换算为相位差；与标准移相器进行比较的比较法（零示法）等。在测量相位差中主要有四种方法，即用示波器测量相位差、相位差转换为时间间隔进行测量、相位差转换为电压进行测量、零示法测量相位差。

2 原理及技术指南

图一是相位差检测电路原理图。要测量相位差,就得需要测出两个同相位时间的差值,进而通过转换,最终求出相位差.。所以就需要测出这段时间。在这段时间内有个明显的特点，就是一个为正，一个为负，首先，要把信号源进行移相，用到RC移相电路，配合上集成运放，然后同时把移相之前的信号源和移相之后的信号源给两个过零比较器，结果输出的不是高电平就是低电平，完成了对模拟信号转化成数字信号的任务。接着通过和一个来自555定时器的信号进行与逻辑，然后给在和计数器的clk端进行与逻辑，完成对周期长度和计时器的控制，达到采样的目的，最后数码管显示相位差。。完成了相位差检测的功能。

3 单元电路设计及参数计算

该电路主要由四个部分组成。

3.1 整流滤波电路：

该部分选用单向桥式整流及电容滤波电路，由220V交流电压经变压器降压，D3-D6桥式整流滤波电路输出电压12V供芯片回路用。图2，图3是滤波器的组成部分。

闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管，如图3-3

当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,

晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：

Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0

若门极电流为Ig，则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig

从而可以得出晶闸管阳极电流为：I=(Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））（1—1）式

硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图3所示。

图2图3

图3-3

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，

Ig=0,(a1+a2）很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0 晶闸管处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig，由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高其电流放大系数a2，产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1，产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。从图3，当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0，因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。

式（1—1）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）≈0，即使此时门极电流Ig=0，晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。晶闸管在导通后，门极已失去作用。

在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态。

3.2 RC移相电路：

鉴于电路中的电容和电感均有移相功能,电容的端电压落后于电流900,电感的端电压超前于电流900,这就是电容电感移相的结果。

先说电容移相,电容一通电,电路就给电容充电,一开始瞬间充电的电流为最大值,电压趋于0,随着电容充电量增加,电流渐而变小,电压渐而增加,至电容充电结束时,电容充电电流趋于0,电容端电压为电路的最大值,这样就完成了一个充电周期,如果取电容的端电压作为输出,即可得到一个滞后于电流900的称移相电压;

电感因为有自感自动势总是阻碍电路中变量变化的特性,移相情形正好与电容相反,一接通电路,一个周期开始时电感端电压最大,电流最小,一个周期结束时,端电压最小,电流量大,得到的是一个电压超前900的移相效果;

这里说滞后或超前900,只是对纯电容纯电感而言,实际应用中是没有纯电容或纯时感的,所以,一个电容或电感的移相效果不可能正好达到滞后或超前900。下面是最简单的RC移相电路。