数字式相位差测量仪

一、设计目的与任务

《电子信息工程专业方向》课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在完成本专业所有课程学习后必须接受的一项结合本专业方向的、系统的、综合的工程训练。在教师指导下，运用工程的方法，通过一个较复杂课题的设计练习，可使学生通过综合的系统设计，熟悉设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，掌握必须提交的各项工程文件。其基本目的是：培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用电路设计和有关先修课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固，加深和扩展有关电子类方面的知识。

通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养：

(1)独立工作能力和创造力；

(2)综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；

(3)查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；

(4)工程绘图的能力；

(5)编写技术报告和编制技术资料的能力。

二、技术指标与要求

1、被测信号为正弦波(或者是方波)，频率为40~60Hz，幅度大于等于0.5V；相位测量精度为1度；用数码管显示测量结果。

2、主要单元电路和元器件参数计算、选择；

3、画出总体电路图；

4、提交格式上符合要求、内容完整的设计报告

三、工作原理

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信号的相位差。例如,电力系统中电网并网合闸时,要求两电网的电信号之间的相位相同,这需要精确测量两列工频信号的相位差。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,我们设计一种数字式相位差测量仪,该仪以可编程逻辑器件(PLD) 和锁相环(PLL) 倍频电路为核心,实现了两列信号相位差的自动测量及数显。

相位差测量仪的原理框图(以分辨率为1°为例)如图1 所示。基准信号(相位基准) f R 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 = 360 的分频器,使锁相环的输出信号频率为360f R ,但相位与f R 相同,这个输出信号被用作计数器的计数时钟。被测信号f S 经放大整形再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f R 与f S的相位差tp 内计数,这样计数器计得的数即为f R 与f S 之间的相位差。于计数时钟频率为360f R ,因此,一个计数脉冲对应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2 得到理解和说明。图中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 超前于f S ,相位取正值,符号位数码管显示全黑; 当Q 为0 时, f R 滞后于f S ,相位取负值,符号位数码管显示“ - ”。

四、总体框图

五、各模块电路分析

1 移相网络

所谓移相是指两种同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的移动，即称为是相位的移动。两路信号的相位不同，便存在相位差，简称相差。若我们将一个信号周期看作是360，则相差的范围就在0°～360°。：两个同频信号之间的移相，是电子行业继电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段，利用移相原理可以制作校验各种有关相位的仪器仪表、继电保护装置的信号源。因此，移相技术有着广泛的实用价值。我们知道，将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。以延时的长短来决定两信号间的相位值。这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。也就是说，只要能够测量出该延迟时间，我们就可以推算出其相位差值。

2．方案实现

本系统由移相网络，相位测量仪，数字移相信号发生器组成。其中相位测量仪由单限（过零）比较器，逻辑门电路，单片机系统组成。数字式移相信号发生器由单片机软件编程实现，频率可调并可以步进。移相网络由相位超前，滞后网络及放大电路组成。键盘电路与显示电路用来预置初始状态与显示结果。

（1）移相网络：

具体电路图如图1。在该电路中相角和电压幅值均可以改变。本电路中第一部分是由741和RC网络所构成的超前移相电路和滞后移相电路，第二部分为TL072运算放大器构成的低噪声高增益放大电路。调节RR，R4可以改变输出电压幅度，R3为调零相位电。

超前，滞后网络的相关理论：（如下图）

对于超前网络：

/0()/0)1/0

*1*1*/(*1)arc */(*1)1(/0)(/0)200()w w A jw j

w w jw w a a a j a a a a

a a a tg a a a a arctg w w arctg f f f RC R C arctg RC θπ=+=+++++===

= （另a=相角与频率的关系：

=其中

关于滞后网络：

()(/0)1/0

1*1*/(*1)

arc /(*1)

1

()()2R A jw a w w jw w R aR j a a a a

aR a a tg R a a arctg a arctg a f RC θπ==+=-++-++=-=-=

令相角与频率的关系：=其中

根据题目要求，不同情况下具体的参数由上述公式计算。

注意：具体调试电路的时候应根据以上公式，当输入频率改变的时候，应改变超前，滞后网络中R ，C 参数，此时才可以改变相位差。 2放大整形电路的分析与设计

电路：在相位差测量过程中，不允许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，图1中A1和A2安排了相同的电路。如图3所示，第一级运放将输入信号放大10倍，第二级运放用作比较器，经3.3k Ω的限流电阻和DZ 组成的限幅电路以及二极管D 和7414整形后，使其转换成TTL 电平的信号

3、锁相倍频电路

设被测信号的工作频率为50hz ,测量的分辨率取1°,360倍频