数字式相位差测量仪

1、数字式相位差测量仪作者：江汉大学物理与信息，秦工摘 要：介绍一种基于 PLD 和 PLL 的数字相位差测量仪的工作原理以及硬件电路组成。：数字；相位差；PLD；PLL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，辑器件(PLD)和锁相环(PLL)倍频电路为设计一种数字式相位差测量仪，该仪以可编程逻，实现了两列信号相位差的自动测量及数显。测量的分辨率可根据需要选择 0.1或

2、1，当选择 0.1时，可测信号的频率范围为 1Hz10kHz，当选择 1时，可测信号的频率范围为 1Hz100kHz。1、 工作原理相位差测量仪的原理框图(以分辨率为 0.1为例)如图 1 所示。基准信号(相位基准)fR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=3600 的分频器，使锁相环的输出信号频率为 3600fR，但相位与 fR 相同，这个输出信号被用作计数器的计数时钟。被测信号 fS 经放大整形再 2 分频后得到的 fS2 与 fR2 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

3、数器仅在 fR 与 fS 的相位差 tp 内计数，这样计数器计得的数即为 fR 与 fS 之间的相位差。由于计数时钟频率为 3600fR，因此，一个计数脉冲对应 0.1。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 fR 与 fS 的相位关系，当 Q 为 1 时，fR 超前于 fS，相位取正值，符号位数码管显示全黑；当 Q 为 0 时，fR 滞后于fS，相位取负值，符号位数码管显示“-”。12、 前置电路设计与分析(1) 放大整形电路：在相位差测量过程中，不允许信号在放大整形电路中发生相对相移。为了使信号在测量电路中引起

4、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 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。(2) 锁相倍频电路： 设被测信号的最高工作频率为 10kHz，测量的分辨率取 0.1，3600倍频后信号的频率为 36MHz，故可选择最高工作频率为 40MHz 的锁相环 74HC4046。当分频系数 N 取 360 时，同理，测量的分辨率为 1，可测信号的最高工作频率可取100kHz。3600 或 360 分频器由一片可编程器件 GAL16

5、V8 来完成，这样电路结构更加简化。由开关 K 控制，当第 9 脚为时 N=3600；为低电平时 N=360，电路如图 4 所示。为了使 fR 在 1Hz100kHz 时锁相环工作稳定，线性良好，入锁时间快，电阻电容参数选择见图 4 所标的值。3、 计数器及数显部分计数器及数显部分由可编程器件和 5 个 7LED 数码管实现，电路如图 5 所示。数码管最LED5 为相位超前滞后显示位，低 4 位数码管显示相位差的值。计数器、锁存及译码电路由可编程器件完成。选用 MaX7000 系列的最高工作时钟为 76MHz 的 EPM7064LC77，程序用 Verilong HDL 语言编写。计数锁存部分程序如