相位差检测

目录

一、题目要求 (2)

二、方案设计与论证 (2)

2.1移相电路 (2)

2.2检测电路 (2)

2.3显示电路 (3)

三、结构框图等设计步骤 (4)

3.1设计流程图 (4)

3.2电路图 (5)

3.2.1移相电路图 (6)

3.2.2检测电路图 (6)

3.2.3显示电路图 (7)

四、仿真结果及相关分析 (8)

4.1移相效果 (8)

4.2相位差波形 (8)

4.3相位差度数 (8)

五、误差分析 (9)

5.1误差分析 (9)

六、总结与体会 (9)

七、参考文献 (10)

八、附录 (10)

8.1元器件清单 (10)

一、题目要求

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：

1)设计移相电路；

2)设计检测电路，可以使用MCU或者Labview；

3)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；

4)要求分析系统最后的精度。

二、方案设计与论证

2.1移相电路

此次相位差检测电路的移相部分主要由RC移相电路构成，而RC移相电路主要利用了电容器的电流超前电压90度这一特性。

RC滞后移相电路是电阻器在前面，电容器在后面。输入信号从电阻器进入，输出信号是从电容器上输出。因为电容器要充电，所以电压要比电流滞后90度，等电容充满电后才有电压。输出电路是与电容器并联电压相等，所以输出电路的电压也滞后电流。RC超前移相电路是电容器在前面，电阻器在后面，电容器一样充电电压会滞后电流90度。

由于输入信号经过RC电路后，其幅值有一定的衰减，为了达到移相但不改变其幅值，我们在移相电路后追加了相应的放大器，以保证信号波形不变。

2.2检测电路

相位差的测量可以采用多种方法：一、将两个信号用模拟乘法器做乘法运算，得到的信号通过低通滤波器，将直流量分离出来，直流电压的大小反映了两个信号的相位差。二、采用两个比较器对信号进行过零比较，然后测量出两个上升沿之间的时间间隔，用时间间隔除以周期再乘以360就可以得到相位差。一般高

精度的相位差测量都是用第二种方法。还有一种就是定性地观察，将两个信号接到双踪示波器的输入，得到李萨如图形，通过图形的形状可以判断相位差大概是是什么程度。另外还可以将相位差转化直流电压或电流信号进行检测。

2.3 显示电路

目前广泛使用的是直读式数字相位计，其原理是基于时间间隔测量法，通过相位-时间转换器，将相位差为ψ的两个信号（分别称参考信号和被测信号）转换成一定的时间间隔τ的起始和停止脉冲。然后用电子计数器测量其时间间隔。如果让电子计数器的时钟脉冲频率倍乘36*10n （n 为正整数），则显示值即为以度为单位的相位差值，其简单原理如图所示。也可以用相位—频率转换器，把两信号之间的相位差变成频率，用电子计量器测量。此外可采用相位-电压转换器，把相位转换为电压，用电压表测量。

以上是时间间隔测量基本的原理，其间隔时间为 T 0N t =ϕ

式中，N 是在t ψ时间内计数脉冲的个数；T 0是时标信号周期。

360

︒⨯=T t ϕϕ

360f 360T N f T N 00︒︒⨯=⨯=ϕ 式中，f 为被测信号频率，f 0为时标信号频率。

若让计数器在1s 内连续计数，即1s 内有f 个门控信号，则其累计数为N 1=f*N.

f N f 3600︒=ϕ

f 360N 01fN ︒==ϕ，则N f 3601

0︒

=ϕ 若取时标频率f 0=360Hz ，则 ）

（︒==︒N N 3601

1360ϕ 可见，计数器在1s 内脉冲的累计数就是以度为单位的两个被测信号的相位差。若取f 0=3600Hz ，则每个计数脉冲表示0.1°，可以提高测量准确度。

三、结构框图等设计步骤

3.1设计流程图

3.2电路图

3.2.2检测电路图

四、仿真结果及相关分析

4.1移相效果

4.2相位差波形

4.3相位差度数

五、误差分析

5.1误差分析

相位差测量数字化的优点在于硬件成本低、适应性强、对于不同的测量对象只需要改变程序的算法，且精度一般优于模拟式测量。在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中，常常需要测量两列同频率信号之间的相位差。例如，电力系统中电网并网合闸时，需要求两电网的电信号的相位差。相位差测量的方法很多，典型的传统方法是通过示波器测量，这种方法误差较大，读数不方便。为此，我们设计了一种基于锁相环倍（分）频的相位差测量仪，该仪器以锁相环倍（分）频电路为核心，实现了工频信号相位差的自动测量及数字显示，误差相对于模拟测量方式比较小。

六、总结与体会

此次课程设计以实现用数字式方法通过数码管直接显示相位差为目的，做成的相位差检测仪。我们使用了两级RC移相器加一个运放器做成了移相电路，使用电容滤波的方法。然后采用74LS74D触发器将两个输入信号转化为方波信号，并通过函数信号发生器将相位差波形显示出来。接着使用74HC192作为计数器，捕获单元实现信号的数据采集，最后通过74HC373作为锁存器将相位差锁定。经过数据处理后通过数码管直接显示出来。该相位计测量相位差理论范围是0~180，数码管显示范围为0~999.此次设计最大的特点是将两路信号通过74LS74双稳态触发器转换成一路脉冲信号，而脉冲信号的宽度为信号的相位差，使得设计方案的精准度提高。