相位差测量电路设计

1、本科毕业设计( 2015 届 ) 题 目： 相位差测量电路的设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称（学位）： 讲师 合作导师： 职称（学位）： 完成时间： 2015 年 5 月 28日 成 绩： 黄山学院教务处制原创性声明兹呈交的设计作品，是本人在指导老师指导下独立完成的成果。本人在设计中参考的其他个人或集体的成果，均在设计作品文字说明中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此设计作品而产生的权利和责任。声明人（签名）：年 月 日目 录摘要1英文摘要.21 绪论21.1 研究背景及意义31.2 发展现状和发展趋势31.2.1 国外发展状况31.2.2

2、 国内发展状况41.2.3 发展趋势52 相位差测量的基本原理52.1 相位的基本概念52.2 相位差测量原理52.3 电路设计原理63 设计与分析63.1 移相电路63.1.1 方案分析63.1.2 移相电路设计83.2 检测电路83.2.1 方案分析83.2.2 检测电路设计113.2.3 LM339特性分析123.2.4 双稳态触发器133.3 计数显示电路143.3.1 方案分析143.3.2 计数显示电路设计143.3.3 数码管工作原理154 仿真与调试165 实验分析18总结20参考文献21致谢22附录23相位差测量电路设计机电工程学院 自动化专业 指导老师：（讲师） 摘要: 随

3、着计算机以及电子技术的发展，相位差测量技术作为常用的信号测量技术，得到了快速发展，已经成为现代科学研究不可或缺的一部分。相位检测在信号变换、信息采集、控制等方面有着重要的意义，特别是在电气、工业自动化、智能控制及通讯电子等许多领域都有广泛的应用。因此，相位差测量技术在信号的处理、检测方面有着极其重要的作用。为了满足本课题的要求，从相位差的测量方法入手，设计了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。该设计主要包括三个方面的即移相电路设计、相位差测量电路设计、计数显示电路设计等。其主要过程是将源信号为一个正弦波经过由两级

4、RC移相器和电压跟随器组成的移相电路后，得到一个移相后的正弦波，两个信号输入相位差检测电路进行整形电路和获得源信号和移相后信号的相位差信号，最后输出相位差波形的宽度，即源信号的过零点与被测量信号的过零点之间的时间差。然后再通过显示电路，最终由共阴极数码管显示出来。关键词：相位差；移相电路；检测电路；计数显示电路；整形电路，Design of Circuit in Phase Difference Measurement （College of mechanical and electrical engineering, Huangshan University, 245021） Abstrac

5、t：With the development of computer and electronic technology, the phase difference measurement technology, as a common signal measurement technology, has been rapid development and has become an indispensable part of modern scientific research.Phase detection is of great significance in terms of sig

6、nal transformation, data collection, control, especially it is widely used in many fields ,such as electrical, industrial automation, intelligent control and communications, electronics and so on. Therefore, phase difference measurement technology plays a very important role in signal processing and

7、 detection . In order to meet the requirements of this subject, I designed a phase difference detection circuit starting from the phase difference measurement method . The circuit can test a after a phase shift circuit signal (a sine wave phase shifter between the original signal and the phase diffe

8、rence can be detected and display by the test circuit . The design mainly includes three aspects: the phase shift circuit design, the phase difference measurement circuit design, the counting and display circuit design, etc. Source after a sine wave by two stage RC phase shifter and voltage follower

9、 of phase-shift circuit, a phase shifting sine wave is the main process, the two input signal phase difference detection circuit shaping circuit and source signal and phase signal phase disparity signal, finally output phase difference waveform width, namely signal source of zero and measured signal

10、 zero crossing point between the time difference. And then through the display circuit, and ultimately by the common cathode digital tube display. Key words: Phase difference ; Detection circuit ; Counting display circuit ; Display circuit ; Plastic circuit1 绪论 1.1 研究背景及意义随着微机和电子技术的快速发展，信号相位测量技术已成为现

11、代科技社会不可缺少的一部分。相位差测量在多方面有着重要意义，包括信息的采集、信号的检测和控制等等方面，特别是在电力行业、工业自动化、智能化和其他的通讯电子等方面有着广泛应用。例如：（1）确定电路谐振特性。当电路发生谐振时，该电路的L、C两端的电压相等但相位相反，所以两信号相互抵消，即可确定两个信号的相位为零。因此，根据相位差来确定该电路是否发生谐振。（2）测量信号的传输特性。我们可以通过测量某个信号的幅频和相频的特性，然后根据以此来分析信号的传输特性。（3）测量信号的延时特性。通过测量信号的相位差，可以分析该信号的延时特性。（4）测量和校正伺服系统。伺服系统是自动控制的重要组成部分，因其电动机

12、、解调器等都设计成响应于同相信号，故它需要经常测量信号的相位。（5）测量功率因数。如在交流电路中，功率因数是电压与电流之间相位差的余弦，用表示。因为与是函数关系，因此可以通过使用相位差测量的方法，先测得值后再计算的值。（6）测量距离和方向。该功能应用非常的广泛，如相位式激光测距，其原理是通过发出连续的调制光波来回往返产生的相位延迟进行测量，间接的测量出光经过被测物体距离的时间，从而求出被测距离1。由此可见，相位差测量技术广泛应用于医疗、勘探、电力、航空航天、石油冶金等多种领域。 1.2 发展现状和发展趋势 1.2.1 国外发展状况国外对于相位差测量的研究起步早，如俄罗斯、英国、德国尤其美国该技

13、术一直处于领先地位。如美国的Agilent（安捷伦）、德国德图、日本横河等公司在相位差测量技术方面取得优异的成就，如图1-1所示，Agilent 53132A型通用计数器，该计数器频率分辨率达12位/秒；频率范围：CH1和2：dc225MHz；测量速度可达到200次测量/秒在GPIB上。如图1-2所示，美国CH公司生产的型号CH6000A高精度相位计，其分别率达0.001°，是迄今最好的相位计，精度0.020°，频率响应：5Hz1MHz,增加了USB接口，利用了最新的数字技术和优化模拟设计。国外的产品主要特点是可以测量幅值、周期还包括相位、频率等多种参数的测量，尤其重要的是

14、他们的产品测量精度高，利用非常先进的数字芯片，这样的优点是测量精度高、频率范围宽、抗干扰好。图1-1 Agilent 53132A型计数器图1-2 CH6000A型高精度相位计 1.2.2 国内发展状况与国外技术相比，我国该项目研究相对落后，它起步于上个世纪六、七十年代，我国在此后的几十年取得了较大成就，但是测量精度相对低、使用的频率范围窄以及采用的器件、方法和技术与国外相比还是有很大的差距。随着国内技术发展迅速，国内相位计产品技术得到快速提高，如上海旺平电气有限公司生产的WP9066A多功能相位计，如图1-3所示，该相位计可用表或数字液晶显示。该相位计主要参数如表1-1所示，相位测量范围大、

15、频率高、测量精度相对较高等众多优点，其功能主要用于双电力系统，测量交流电流，电压两电压之间，两电流之间，及电压、电流之间的相位角度。图1-3 WP9066A多功能相位计表1-1 WP9066A多功能相位计技术参数类型测量范围测量精度相位0360°±1°电压0250V±1.5%电流0.140A±2%频率1Hz9999Hz1Hz功能测量交流电流，电压两电压之间，两电流之间，及电压、电流之间的相位角度总的来说，我国的相位差测量技术与发达国家相比还有很大的差距，主要表现在产品种类少、产品测试功能单一，尤其重要的是仪器测量精度、数字化和自动化程度低。 1

16、.2.3 发展趋势早期阶段的相位差测量技术一般采用的方法包括李沙育法、和差法、阻抗法等，这些测量方法虽然简单，但是重大弊端是测量精度低，不符合现在科学技术的发展和需要，所以出现利用数字电路、微处理器等构成电路系统，使得测量精度得到极大的提高。该技术极大的简化设计程序，使得测量精度更高、功能齐全，是目前社会未来发展的趋势。目前，相位差测量技术广泛应用于众多领域和部门，如今测量电路具有运行速度快、高精度、低成本等优点，它的应用领域宽广并取得了许多新的进展。尤其国防技术的发展，需要发展高精度、多种功能的相位计。因此，在各种实时系统之中对于相位差测量技术极其重要。为了满足本课题的要求，设计了一个相位差

17、检测电路，包括移相电路和显示电路，该电路的主要功能是可以测量原信号和一个经过移相电路的信号（正弦波）移相后之间存在的相位差，并最终由数码管显示。2 相位差测量的基本原理2.1 相位的基本概念 相位是信号的三种特性之一，它说明谐振波振荡在某一瞬时的状态。在数学上定义为正弦或余弦的幅角，其数学模型为： （2-1） 式（2-1）中称为幅值，且，称为有效值，是初始角，是相位角，通常称为相位，可表示为： （2-2） 2.2 相位差测量原理只有两个同频率信号的相位差才有意义，我们可以通过式（2-2）可以看出相位是时间的线性函数，令、表示角频率为、的两个简谐振荡的相位，则有： （2-3）由式（2-3）可知相

18、位差也是时间的线性函数，若时则有： （2-4）式（2-4）表明，两个同频率信号的相位差为常数，由其初相位角之差确定，即我们通常所说的静态相位差。假设，我们选定一个信号为参考信号，设它的初相角为零，如：则 （2-5） （2-6）由式（2-5）确定的信号叫做基准信号，式（2-6）确定的信号称为被测信号、的相位差：，负号表示滞后于或超前于。在实际测量中，首先找到基准信号过零点时刻，然后通过判断此刻被测信号的幅值，幅值为正，则超前于，否则为滞后2。 2.3 电路设计原理本次设计采用数字式相位差检测和显示，这样的方法的一个最大优点就是它的干扰力小以及工作稳定。如图2-1所示是设计原理框图，源信号为一个正

19、弦波它经过由两级移相器和电压跟随器组成的移相电路后，得到一个移相后的正弦波，两个信号经过整形后输入双稳态触发器，获得源信号和移相后信号的相位差信号，再经过由三个74LS192组成的计数器计数，然后通过锁存器74HC373进行锁存，最终由数码管显示。图2-1 原理框图3 设计与分析 3.1 移相电路 3.1.1 方案分析通常最简单的模拟电路移相是RC移相和LC移相，我们一般采用的是RC移相电路。如图3-1所示，是两个简单的RC移相电路。图3-1 简单的RC移相值得注意的是：移相电路对不同频率信号，所产生的移相角度是不相同的，所以必须要针对特定的频率进行，本次设计选取的频率是1KHz。图3-2 有

20、源移相电路通常我们将RC与运放一起联系起来，如图3-2所示，组成有源的移相电路，是典型的可调移相电路。它的移相调节范围为0°90°，在本设计中、取10 K，其传递函数推导如下： （3-1）所以： （3-2）相频特性： （3-3）在本次设计中，1KHz的正弦波，C为10,为可调范围为015 K的滑动变阻器。本次采用两级移相器且为同频正弦波，所以相位差3。3.1.2 移相电路设计 本次设计的移相电路由两级移相器和电压跟随器组成，采用电容滤波的方法。我们一般将与运放联系起来组成有源的移相电路，如图3-3所示，一级移相移动相位90°，两级移相180°。本次设计采

21、用两级移相，故移相范围为0°180°。图3-3 移相电路图 3.2 检测电路 3.2.1 方案分析 目前测量相位差的方法有很多种类型，传统的主要有直接比较法、李沙育图形法。现在一般使用过零检测法。方案一：直接比较法 比较法其测量原理是将同频率和分别直接接到双踪示波器的和通道。如图3-4所示，设： （3-4） （3-5）则相位差计算公式为： （3-6） 或 其中，4图3-4 直接测量法直接比较法的弊端就是误差大，主要的测量误差来源大概包括三种：首先，示波器水平扫描的非线性，即扫描用的锯齿电压呈非线性。其次，垂直通道一致性引入附加相位差。最后，人眼读数产生的误差。方案二：李沙育

22、图形法设测量两个同频率的正弦信号、的相位差。以为x轴，以为y轴，作图。若图形为一条过零点的线且斜率为1，则相位差为0。若图形为一条过零点的线且斜率为-1，则相位差为。若图形为椭圆，如3-5所示。设该椭圆交y轴于点（0，），椭圆y向最大坐标，则相位差为。将、接示波器的X输入端和Y输入端，可通过观察示波器上的图形得到相位差5。 图3-5 李沙育图形法该方法虽然简单，但是由于是通过人的肉眼来观察，所以很难以保证其测量精度，也不能使测量自动化，是不符合现在科学技术的发展和需要。方案三：过零检测法过零比较法是比较普遍的一种测量两信号间相位差的方法。它主要是分别判断出两个同频率正弦信号过零点的时刻，并且计

23、算出它们之间的时间差，然后将这个时间转换为相应的时间差，从而测出相位6。设为被测信号，为延时后的被测信号，其表达式分别是： （3-7） （3-8）显然和的频率相同，相位差是一个与时间无关的常数，为延时时间，为被测信号周期。 如图3-6所示，可以通过以下公式计算得到和的相位差。 （3-9）式中，为所测的两信号过零点时的时间差7。 图3-6 信号过零点的时间差本设计使用数字化检测，所以需要对输入信号进行采样离散化，这样信号过零时间差就会变为信号过零点之间的采样点数n。相位差的计算公式如下： （3-10）式中，为采样频率；为周期信号7。过零检测法的特点是电路简单，且具有测量分辨率高、线性好以及易于数

24、字化等特点。上述的三种测量相位的方法，各有优缺点，从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感度等技术指标来看，在此次设计中将采用过零检测法。主要用到的是通过相位差转换成计数脉冲数进行测量，还易于实现数字化和自动化。综合所述，选择过零检测法比较合适。 3.2.2 检测电路设计本次设计的检测电路模块主要包括整形电路和双稳态触发器的设计，其中，整形电路采用的是过零比较法将待测信号变成矩形波信号，然后再送到双稳态触发器进行下一步的处理。图3-7 检测电路图本次设计针对两路信号采用了施密特触发器组成的整形电路，由于施密特触发器是在单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，因为正反馈的作用，它的门限

25、电压随着输出电压的变化而变化，从而使施密特触发器有两个门限电压，所以可以提高输入电路的抗干扰能力。为了避免待测信号和源信号在整形电路中产生附加移相或者发生相对移相，必须保证两个施密特触发器的两个门限电平对应相等，这可以通过调节电位器来实现，这样即使发生移相也能保证二者的相对移相为0，最后经过双稳态触发器，得到相位差信号。如图3-7所示，其中，U1、U2分别是源信号和待测信号；U3、U4分别是经过过零比较整形后的两路矩形波信号8。相位差检测波形图如图3-8所示，两个输入信号分别为U1和U2，所得的输出波形为Q，其宽度即源信号的过零点与测量信号的过零点之间的时间差。图3-8 相位差检测波形图3.2

26、.3 LM339特性分析LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：（1）失调电压小，典型值为2mV；（2）电源电压范围宽。单电源为236V，双电源电压为1V18V；（3）对比较信号源的内阻限制较宽；（4）共模范围很大，为；（5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；（6）输入端电位可灵活方便地选用。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压，另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-

27、”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态。图3-9 LM339外型及管脚排列图LM339集成块采用C-14型封装，图3-9所示，为外形及管脚排列图。LM339相当于一只不接集电极电阻的晶体管三极管，在使用时输出端到正电源一般需接一只电阻。选用不同阻值的上拉电阻会影响输出高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。所以要加上上拉电阻才能保证有高电平输出，本次设计采用的是10K上拉电阻9。3.2.4 双稳态触发器双稳态触

28、发器在相位差测量电路中起到测量时间差的作用，在这里我们选用的是74LS74芯片，74LS74芯片是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发D触发器电路10。74LS74引脚图如图3-10所示：图3-10 74LS74引脚图74LS74的引脚功能：、：数据输出端、：时钟输入端、：数据输入端：直接复位端（低电平有效）、：直接置位端（低电平有效） 74LS74芯片的逻辑图如图3-11所示：图3-11 74LS74 逻辑图74LS74的输出输入波形图如图3-12所示，假设输入分别为A、B两个信号。图3-12 74LS74输出输入波形图 3.3 计数显示电路 3.3.1

29、方案分析计数显示电路是基于时间间隔测量法来设计，将相位差转换成时间间隔，然后根据计数器时钟脉冲计数测量其时间间隔，然后再用计数器的时钟脉冲频率乘以，则最终数码管显示的值即以度为单位的相位差值。其计算公式如下： （3-11）式中，n为在时间内计数脉冲的个数；为被测信号频率；为时标信号频率11。如若在1s内让计数器连续计数，即在1s内有个门控信号，则其一共计数为，所以，则。通过上式我们可以看出，当时标频率取360KHz时，代入可得：=。由此可见，在时标频率取360KHz前提下，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，这为本次设计带来了简便。 3.3.2 计数显示电路设计 本

30、次显示电路采用的是数字检测和数码管显示被检测信号相位差，如图3-13所示，在本设计中我们首先使用74LS192 作为计数器来计数，捕获单元实现信号的数据采集，然后使用74HC373作为锁存器将相位差数值锁定，最后通过数据后期处理后由3个共阴极数码管显示出来11。 图3-13 计数显示电路图3.3.3 数码管工作原理为了能以十进制数码管直观地显示数字系统的运行数据，目前最广泛使用了七段数码管，这种数码管是由七段可发光的线段拼合而成的。常见的七段数码管有半导体数码管和液晶显示器等。如下图3-14所示为半导体数码管的外形图，这种数码管的每个线段是一个发光的二极管。从各发光电极连接方式分有共阳极和共阴

31、极两种，如图3-15所示。图3-14 数码管外形图图3-15 数码管共阴极和共阳极数码管显示字型码如表3-1所示，本次设计采用的是共阴极数码管。表3-1 数码管显示字型码显示字符共阴极字符共阳极字符03FHC0H106HF9H25BHA4H34FHB0H466H99H56DH92H67DH82H707HF8H87FH80H96FH90H4 仿真与调试本设计使用软件Multisim进行仿真，画出电路图，通过调节变阻器、来改变移相电路的相位。如图4-1所示，所得到的源信号和移相信号的波形图。源信号的频率和移相信号的频率都为1KHz，相位较源信号滞后，此时滑动变阻器、都取7.5 K 。图4-2为两个

32、D触发器将两个输入信号转化为的方波信号，我们可以通过图大概可以看出，与图4-1数据一致。经过相位差公式3-10可计算出相位差约为102°，由图4-3是经过数码管显示出的相位差，其显示数据为101°，与通过计算出的相位差相比较，可以看出数据非常的接近，基本实现了预期目标。图4-1 信号波形图 图4-2 相位差波形图4-3 数码管显示5 实验分析 本次电路设计采用模块化设计方案，设计中使用了很多芯片，但是电路相对简单，最后相位差数值采用数码管显示，其优点是显示稳定，数值精确。但在调试过程中发现一些缺点，也是不可避免的问题，就是反应速度慢。如下表5-1所示，列出了通过调节变阻器R

33、5、R8所得的相位测量数据，并计算了相对误差。根据公式 和可以计算出相位差的实际值，如R5、R8分别取60% 时，即数值为9K，代入公式可得117.9°。同理，其他数据根据公式计算其实际值。相对误差=（读数值 - 实际值）/ 实际值表5-1 误差分析参数123456R3(15K)20%30%45%60%80%100%R6(15K)20%30%45%60%80%100%实际值42.763.191.9117.9148.0173.2读数值4363 92118 148173误差0.70%-0.16%0.11%0.09%0%-0.12% 通过分析上面表格数据可以看出，本次设计的相位差测量电路最

34、大的相对误差为0.70%，最小近似于0%。所以该电路的精度基本符合设计要求。在实际电路中，有电路损耗，给实验结果带来影响。比如移相电路，它的原理是利用了元件两端电压与流过它的电流间的相位关系来实现的。实际实验中我们所使用的电感器和电容器都有损耗电阻。主要来自电感器的损耗电阻的影响，因为一般电容器的损耗电阻很小，可以不用考虑在内。我们测量到的电感器两端的电压值，实际上是电感与其损耗电阻上电压的矢量和，而不是纯电感两端的电压。所以，电感器上电压超前电流的相位差不再是，而是要小于它12。由于在实际电路中有很多干扰以及电路的寄生效应，这样最终导致输入示波器的波形很不稳定。为了解决这个问题，在本次设计中我们在源信号和一级移相和二级移相