相位差检测电路

课程设计报告
课程电子测量与虚拟仪器
题目相位差检测电路
系别物理与电子工程学院
年级08级专业电子科学与技术
班级08电科（3）班学号0502083（02 14 23 24）学生姓名崔雪飞陈祥刘刚李从辉
指导教师徐健职称讲师
设计时间2011-4-25~2011-4-29
目录
第一章绪论 (2)
第二章题目及设计要求 (3)
2.1题目要求 (3)
2.2设计要求 (3)
第三章方案设计与论证 (4)
3.1移相电路设计 (4)
3.2检测电路设计 (4)
3.3显示电路设计 (5)
第四章结构框图等设计步骤 (6)
4.1设计流程图 (6)
4.2模块分析 (7)
4.2.1 移相电路 (7)
4.2.2 检测电路 (7)
4.2.3 显示电路 (8)
4.3结果显示 (9)
4.4总电路图 (11)
第五章误差分析 (12)
第六章总结体会 (13)
第七章参考文献 (14)
附录 (15)
第一章绪论
随着电子技术和计算机技术的发展,电子设计自动化(E-DA) 技术使得电子电路设计人员在计算机上能完成各种电路的设计,性能分析和有关参数的测试等大量的工作。

Multi-sim2001是加拿大InteractiveImageTechnologies公司2001年推出的Multisim最新版本,是一个专门用于仿真与设计的工具软件,它丰富的元件库中提供数千种电路元件,随时可以调用;它提供了多种测试仪器仪表,可方便的对电路参数进行测试和分析。

移相器在新一代移动通信、电子战、有源相控阵和智能天线等系统中获得广泛的应用。

移相器在电子系统中的主要作用是调整系统接收 /发射时电路中的信号相位。

本文将介绍用Multisim软件的部分集成电路和控制部件等各种元件来完成移相电路的设计和仿真。

使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

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计数脉冲数进行测量。

第二章题目及设计要求
2.1 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。

2.2 设计要求
1.对电路做必要的理论分析
2.对电路做必要的仿真和模拟，确认仿真结果是否正确
3.对电路进行实物调试，对调试结构进行分析
4.规范的设计报告（提供基本模版）
第三章 方案设计与论证
3.1 移相电路设计
最简单的模拟电路移相是RC 移相和LC 移相，我们一般采用RC 移相电路。

图1用相量图表示了简单串联电路中电阻和电容两端的电压UR 、UC 和输入电压U 的关系，值得注意的是：相量法的适用范围是正弦信号的稳态响应，并且在R 、C 的值都已固定的情况下，由于Xc 的值是频率的函数，因此，同一电路对于不同频率正弦信号的相量图表示并不相同。

在这里，同样的移相电路对不同频率信号的移相角度是不会相同的，设计中一定要针对特定的频率进行。

我们一般将RC 与运放联系起来组成有源的移相电路，图2是个典型的可调移相电路，它实际上就是图1中两个移相电路的选择叠加：在图1两个移相电路之后各自增加了一个跟随器，然后用一个电位器和一个加法器进行选择相加。

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。

3.2 检测电路设计
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。

u u o u i u o U I 图3.1 简单的RC 移相
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。

3.3 显示电路设计
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 01N *f ︒==ϕ，则N f 3601
0︒
=ϕ 若取时标频率f 0=360Hz ，则 ）（︒==N N 11360
360ϕ 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=360KHz ，则每个计数脉冲表示千分之一度，可以提高测量准确度。

第四章结构框图等设计步骤
4.1 设计流程图
设计流程中的相位检测电路主要用到双D触发器，本设计使用数字式检测显示相位差。

图4.1 设计思路
数字式相位差检测和显示的最大优点在于干扰小，工作稳定。

图4.2 给出了设计原理。

移相正弦
波
图4.2 设计原理
4.2 模块分析
4.2.1 移相电路
本课题使用了两级RC移相器加一个电压跟随器做成了移相电路，使用电容滤波的方法。

我们一般将RC与运放联系起来组成有源的移相电路，如图4.2.1所示，一级移相移动相位90度，两级移相180度，故本实验移相范围为0到180度。

图2.2.1 移相电路
4.2.2 检测电路
采用74LS74D触发器将两个输入信号转化为方波信号。

如图4.2.2所示，采用了两个D触发器，第一个触发器以源信号正弦波作为时钟信号，第二个触发器以移相后的信号作为时钟信号。

由于是边沿触发，故得到了相位差波形为正弦波。

图4.2.2 检测电路
4.2.3 显示电路
本设计使用的是数字检测和数码管显示被检测信号相位差，在设计中我们采用了计数器加锁存器方式来显示数字。

使用74HC192作为计数器，捕获单元实现信号的数据采集，接着以74HC373作为锁存器将相位差锁定，最后经过数据处理后通过共阴极数码管显示出来。

4.3 结果显示
（1）如图 4.3.1 所示为Multisim仿真后得到的源信号和移相信号的波形图，源信号的频率为1KHz，移相信号频率也为1KHz，相位较源信号滞后。

图4.3.1 相位差波形图
（2）相位差数字显示
图4.3.2 数码管显示
（3）硬件电路
图4.3.3 硬件电路
（4）示波器显示
图4.3.4 示波器显示移相180度正弦波以及用于计数的方波
图4.3.5 示波器显示移相90度正弦波以及用于计数的方波4.4 总电路图
图4.4 总电路图
第五章误差分析
此次设计使用数字显示相位差度数，故使用的芯片较多，线路也相对来说复杂，但其结果精确，图像稳定。

（1）损耗和寄生效应
测量相位差理论范围是0~180度，数码管显示值最大为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，理论上波形相位差对应方波高电平的占空比，但其实际电路由于电阻损耗和电容寄生效应是的电路实际产生的相位差并不准确。

（2）稳定性
由于搭建的实际电路有很多干扰以及电路的寄生效应，使得输入示波器的波形产生不稳定，于是我们在源信号和一级移相和二级移相之后都加如了电压跟随以确保整个环节电压幅度稳定。

（3）显示度数
为了使数字长久的显示在数码管，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。

（4）误差分析
如下图给出了调节变阻器所得的相位检测数据，并给出了相对误差。

相对误差=（读数值–实际值）/ 实际值
表5.1 误差分析
第六章总结体会
上学期我们学了电子测量这门课，其中有一章节就是专门介绍相位差检测，那时我们只知道示波器检测相位差使用的是李沙育图像法，所以一开始我们就想用这种方法，但是后来发现这种方法要使用的电路不是一般电路能够实现的，需要用到大量的芯片。

不过经过小组讨论我们知道，使用模拟和数字方法都能够检测相位差。

最后参考相关资料，再结合老师的指导，我们设计出用计数器捕获脉冲信号，实现数据采集，经过两级锁存器对数据进行锁存，最终通过数码管直接显示出来。

由于本科阶段时间有限，我们不能很好的更深入的学习电子测量这门课。

若想把它学好，自己要私下里多花点功夫，研究探索，并多多请教老师。

只有这样多问，多看书，多动手实践，自己的操作能力才能有所真正的提高，并能游刃有余。

平时只有理论知识学习，却缺少必须的动手机会，当然在实验课上，也锻炼了自己的动手能力。

可是，毕竟课上时间有限，不能深入的完成实验。

要把理论转化为实践是必须的，学生必须尽力为自己寻找一些实验，寻找动手的机会，课程设计为我们提供了这样的机会。

这次的课程设计中，我们最大的收获就是要善于发挥团队合作精神，小组之间分工明确，要敢于坚持自己的观点，多向老师同学请教，以完善设计方案。

我们也能够在设计过程中，认识到各自的不足，在以后的学习中要多加改进。

在课程设计中，大家自己独立思考，完成老师布置的题目，学习了很多东西，把自己所学用于实际，自己倍感有成就感。

课设期间，遇到问题，独立解决或同学在一起讨论，大家很有目的的做课设，受益匪浅。

只是课设时间很紧，不能把课设做的更完美一点。

还是真希望课设时间多一点，让自己有更多的思考时间，尽善尽美。

虽然电子测量的课程和课程设计已经结束，但是作为工科学生，有必要加深对Multisim 和Labview的学习，当然还有其它仿真工具的学习。

一方面使自己的知识面更广，另一方面，还可以把这些知识应用在其它方面。

第七章参考文献[1] 张乃国.电子测量技术.高等教育出版社.1985
附录
元器件清单：
电阻10KΩ4个
滑动变阻器（0~15 KΩ）2个
电容10nF 2个
电源5V
接地
函数信号发生器1个
示波器2个
放大器LM324 2个
74LS74D触发器1片
74LS192D计数器3个
74HC373DW 4个
方波脉冲（360KHz）1个
74LS04D非门一片
数码管3个。