相位差检测 (1)

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
课 程 设 计 报告
课程 题目 系 别 年 级 08
电子测量与虚拟仪器 相位差检测电路 物理与电子工程学院 专 业 电子科学与技术 29）
班 级 08 电科（2 班） 学 号 0502082（10 27 学生姓名 指导教师 设计时间 徐健 袁华 夏静 杨慧 讲师
职 称
2011-3-28~2011-4-1
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三、 结构框图等设计步骤
3.1 设计流程图
开 始
移 相 设 计
相 位 差 检 测
检 测 正 确
N
Y 计 数
锁 存
显 示 读 数
结 束
图 3-1 流程图中所涉及到的检测是通过人为操作完成的， 主要通过读取相位差波形 中的低电平所占的整个周期的比例，再乘以 360 所得的示数即为相位差，与移相 波形比较，判断正误。
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
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。
N

360

f
f
0
360 N f *N N f ，则 f 360

1 0 0
1
若取时标频率 f0=360Hz，则
360 （） 360 N1 N1
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。
5.2
总结体会
在设计开始时，介于对电子测量及模拟电路与数字电路的基本理解，有很多
的设计方案很思路，但又都由于考虑得不够全面，或是方案的理解不够透彻，不 能设计成功。最后参考相关资料，再结合老师的指导，才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。 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。
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六、 参考文献
[1]杨乐平.LabVIEW 程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社.2001. [2]张永瑞.网络,信号与系统[M].西安:西安电子科技大学出版社.1996. [3]田瑞利.虚拟数字示波器设计及应用[J].机电工程技术.2006.35(8)：41-42. [4]张乃国.电子测量技术,北京:高等教育出版社，1985 [5]杨吉祥.数据域测试技术及仪器.北京:科学出版社,1990
七、 附录
7.1 元器件清单
电阻 100KΩ 4 个 滑动变阻器（0~100 KΩ） 2 个 电容 10nF 电源 5V 接地 函数信号发生器 示波器 2个 1个 2个
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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
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目 录
一、 题目要求......................................................................................... 3 二、 方案设计与论证............................................................................. 3 2.1 移相电路...................................................................................... 3 2.2 检测电路...................................................................................... 3 2.3 显示电路...................................................................................... 4 三、 结构框图等设计步骤..................................................................... 5 3.1 设计流程图.................................................................................. 5 3.2 电路图.......................................................................................... 6 3.2.1 移相电路图......................................................................... 7 3.2.2 检测电路图......................................................................... 7 3.2.3 显示电路图......................................................................... 8 四、 仿真结果及相关分析..................................................................... 9 4.1 移相效果...................................................................................... 9 4.2 相位差波形.................................................................................. 9 4.3 相位差度数.................................................................................. 9 五、 误差分析与总结........................................................................... 10 5.1 误差分析.................................................................................... 10 5.2 总结体会.................................................................................... 10 六、 参考文献....................................................................................... 11 七、 附录................................................................................................11 7.1 元器件清单................................................................................ 11
相位差波形
图 4-2 相位差转化公式：
低电平表示相位差
t
T
360

4.3
相位差度数
图 4-3
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五、 误差分析与总结
5.1 误差分析
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。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。 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。
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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。
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3.2
电路图
图 3-2
总电路图
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3.2.1
移相电路图
图 3-2-1 本图使用了两级 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。 3.2.2 检测电路图
图 3-2-2 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。
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3.2.3
显示电路图
图 3-2-3
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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。
四、 仿真结果及相关分析
4.1 移相效果
图 4-1
4.2
t N T
0
式中，N 是在 tψ时间内计数脉冲的个数；T0 是时标信号周期。

t
T T
360

源自文库
N T0
360

f
f
0
N 360

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.