数字相位计

数字相位计

摘要：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。

关键词：数字相位计

正文：

一、原理

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

式中，N是在tψ时间内计数脉冲的个数；T0是时标信号周期。

式中，f为被测信号频率，f0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N1=f*N.

则

若取时标频率f0=360Hz，则

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f0=3600Hz，则每个计数脉冲表示0.1°，可以提高测量准确度。

二、 电路图及具体原理分析

电路由常用CMOS异或门74HＣ86和CMOS四比较器LM124组成。LM124中的A1B，A1C为输入信号的过0检测器。为了保护LM124集成块，用四只二极管（VD1-VD4）将比较器同相输入端的信号对地钳位，即把同相输入信号的幅值限制在二极管的正负管压降之内。异或门74HＣ86的U2A，U2B为缓冲器（当开关S1断开时）。电阻R10，R11接到U2A，U2B 的输入端，这两个缓冲器的输出驱动另外两个并接的异或门U2C和

U2D，并联的目的是为了减小输出阻抗。在U2C和U2D的输出端，电阻R4，R5，R P1和电容C1构成分压器和低通滤波器，对输出信号分别进行标定和滤波。由于U2C和U2的输出时一个正脉冲，它与U ia和U ib两路输

入信号的过0时间差成反比例，所以C1两端的平均电压也与两端输入信号的绝对相位差成比例。

比较器A1D和晶体管VT1(2N22)组成单位增益放大器,它对电容C1上的电压既有缓冲作用,又降低了输出阻抗.

电容C2的作用是通过电阻R9建立一个最佳工作点,使比较器A1D稳定地工作在线性区内.

在校准电路时,将开关S1打开,在两个输入端同时加一个峰值电压为5V的低频(50~100HZ)正弦或方波信号,在输出端与地之间接一数字电压表,对输出电压进行监测.

当电压表读数为0时,相当于相位差为0°.把开关S1闭合,调节电位器RP1,使电压表读数为1.80V,此时相当于180°相位差.调试一经结束,就应将S1开关打开,则电路可做常规测量.

至此,数字表已校好,即可测量两路输入信号的绝对相位差.测量精度:当输入50~100Hz、峰-峰值为5V的方波时，精度优于0.4°；在输入有效值为3mV的正弦波时，精度优于1°.

三、仿真过程

当两个输入信号相位为0°时，电压表显示为0V

当两个输入信号相位为180°时，电压表显示为1.8V