相位差检测

课程设计报告

课程电子测量与虚拟仪器课程设计

题目相位差检测电路

系别物理与电子工程学院

年级2008 专业电子科学与技术班级 2 学号

学生姓名

指导教师职称讲师

设计时间2011-3-28~2011-4-1

第一章绪论 (2)

1.1 相位差检测电路的介绍 (2)

1.2 相位差测量的简单介绍 (2)

第二章相位差检测电路 (3)

2.1 移相电路的设计 (3)

2.2 利用MULTISIM设计检测移相电路 (5)

2.2.1 仿真电路虚拟仪器参数调整 (6)

2.2.2移相电路的仿真与分析 (7)

2.3将相位差信号转换成直流电压信号检测 (9)

2.3.1将相位差信号转换成直流电压信号检测的原理 (9)

2.3.2 电路图及具体原理分析 (9)

2.3.3 仿真过程 (10)

2.3.4 系统测量的误差分析 (12)

主要参考文献 (13)

附录 (13)

第一章绪论

1.1 相位差检测电路的介绍

设计一个相位差检测电路，该电路可测试一个经过移相电路的信号（正弦波）移相后与原信号间存在的相位差，可由测试电路检测并显示。要求：设计移相电路；设计检测电路，可以使用MCU或者Labview；使用模拟式检测方法，将相位差信号转换成直流电压或者直流电流信号进行检测；要求分析系统最后的精度。

在此次的电子测量与虚拟仪器课程设计中，我们设计的相位差检测电路主要有两个模块，由这两个模块来实现对相位差的检测并用相应的器件来实现。第一个模块为移相电路，移相电路主要由两个放大器组成。一个放大器可以实现对输入信号进行0~900的移相，那么两个放大器可以实现对输入信号进行0~1800的移相。移相电路的结构比较简单，只要对放大器相应知识进行了解便能很快的设计出移相电路。在移相电路中还应用到了变位器和电容。通过调节变位器可以逐步实现每个度数的相位差；电容的作用则是实现对输入信号的滤波和使放大器工作在稳定的区域。第二个模块则是实现相位差的显示。此部分的模块主要由二极管、异或门以及放大器组成。二极管的作用是使信号工作在正负管压降之间，使电路快速的运行和工作。异或门有三个，异或门的作用主要是实现将信号与基准信号进行比较，将相位差转换成电压差的方法，然后通过电压表将电压显示，最后将电压放大一百倍即使所求的相位差。

1.2 相位差测量的简单介绍

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=U m sin(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。在此课程设计中主要用到的是相位差转换成电压进行测量。

第二章相位差检测电路

2.1 移相电路的设计

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。

图2.1.1 RC移相电路

输出电压Uo与输入电压U i之间的相位差Θ随可调节电阻R的改变而改变。当R由0→∞时，移相电路输入电压U i和输出电压Uo的移相范围可由上向量图看出是0~900。

本课程设计中的移相电路是以集成运算放大器、电阻、电容器件，通过合理的组合来实现相位波形的移相电路。电路如图图2.1.2所示，图中U4A和U5A是0~900的移相放大器，两极移相放大器可以完成0~1800的移相。第一级由U4A组成的移相滤波电路又被叫作全通滤波器，能通过所有的频率的信号，电路增益幅度为常数，仅相位是频率的函数。