数字式相位差测量仪

1、武汉理工大学 课程设计说明书 绪论随着科学技术的突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通 运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子 技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。 低频数字式相位测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具，比如在电力系 统中电网并网合闸时，需要两电网的电信号相同，这就需要精确的测量两工频信 号之间的相位差。更有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性 中具备重要意义。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，我们设计一种数字式相位差测量仪

2、，实现 了两列信号相位差的自动测量及数显。近年来，随着科学技术的迅速发展，很多 测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的使用比较简 单，功能越来越多。本低频数字式相位测量仪主要是测量电压和电流的相位差，由整形放大电路、 基本门电路、锁相倍频，计数译码等集成电路构成。测量的分辨率可达到 0.1 可测信号的频率范围为 40Hz 60Hz ，幅度为 0.5，由于 74HC4046的性能比较好， 使得所制得的仪器精度相对较高，达到了任务书中所规定的要求。数字式相位差测量仪1 结构设计与方案选择基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述 基于过零检测法数字相位测量仪工作原理，从变换方

3、式来分，有将相位差变 换成直流电压的，有将相位差变换成时间的。后者又可以分为瞬时值相位法和平 均值相位法。下面就对这两种方法分别作介绍，最后再对这两种方法作对比分析。 其实为达到较高的精度且便于数字集成，本设计最终将采用相位差变换。相位电压法相位电压法的实现原理如下，由于任务书中要求测量一电路中电压和电流的相位差， 本设计的两路信号是以输入电压作为基准信号Fs，经过一个 RC电路后提取电流信号 Fr经电压比较器整形为方波信号，再2分频后得到的 FS 2与 FR 2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，再经过 RC电路积分后进行 A/D转换。根据相位差

4、与电平成正比的关系，由芯片ICL7136 组成的显示校正网络得到相位差值。图中的 D触发器用于判断 FR与 FS的相 位关系，当 Q为1时， FR超前 FS，相位取正值，符号位显示全黑；当Q为0时， FR滞后于 FS，相位取负值，符号位显示“ -”。其总体原理方框图和测量波形图分别如图 1-1 和图 1-2 。图 1-1 方案一总体原理方框图图 1-2 测量波形图在上图中有 V=v*tp/T. 其中 T为鉴相之后的波形周期， v 为波形高度。1.1.2相位时间法基于相位时间法原理的测量仪的原理框图如图1-3 所示。基准信号 ( 电压信号 )fr 经放大整形后加到锁相环的输入端，在锁相环的反馈环

5、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。图 1-3 总体原理方框图电流信号 fs 与电压信号 fr 经放大整形再 2分频后得到的 fs2与 fr 2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。

6、这种测量方法可以从波形图图 1-4 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， D触发器的特性方程如下式 (1.1), 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“”。图 1-4 测量波形图1.2 方案的比较与选择通过对以上两种方法的基本原理分析与比较，本设计中的相位时间法采用的是一种基于 74HC4046的锁相功能和利用 74LS90芯片制成的 3600 分频来达到信号的倍频效果，其精度可达到 0.1 。而相位时间法则是基于RC电路的积分和 ICL7136芯片的显示

7、校正网络来实现相位差的测量和显示，其测量精度和稳定度远远不如上一种方法高。鉴于以上诸多因素，本设计最终选择相位时间法。2 相位时间法单元电路的原理分析与实现方法前置电路设计与分析放大整形电路的分析与实现放大整形电路：在相位差测量过程中，不允许电压和电流 两路信号在放大整形电路中发生相对相移。为了使两路信号在测量电路中引起的附加相移是相同的，2-1 所示，第一级运放将输入信号放大 11 倍，放大倍数的计算公式如下式 2-1 ，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 7404 整形后，使其转换成 TTL 电为图 1-3 中 A1和 A2 安排了相同的电路

8、。如图平的信号。其中 k 为放大倍数。为了使信号能放大11 倍，可以将 R2 设置为 100K，将 R1设置为 10K。图 2-1 放大整形电路锁相倍频电路的分析与实现锁相倍频电路： 设电流信号的最高工作频率为 100Hz ，测量的分辨率取 0.1 ， 3600 倍频后信号的频率为 360KHz，故可选择最高工作频率为 40MHz 的锁相环 74HC4046。为了使 fr 在 40Hz 60Hz 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附录 1 的元器件名细表所标的值。其电路原路图如图 2-2 所 示。图 2-2 锁相倍频电路设经过放大整形后的两路信号分别记为 fr 和 f

9、s 。信号 fr 由锁相环的 14 脚输入，输出信号经由 4 片 74LS90 芯片组成的 3600 分频器反馈到锁相环的 3 脚输入， 其中两片 90 芯片组成两个六进制计数器， 另两片组成两个十进制计数器， 一起组成 3600 的分频器。整个模块实现 3600 倍频的效果，使得测量的精度能达 到 0.1 。图 2-3 为 4046 的引脚图，图 2-4(a) 、 2-4(b) 为 90 芯片的引脚图和功图 2-4 （ a ） 74LS90 引脚图图 2-4(b) 74LS90 功能表能图图 2-3 4046 引脚图计数器及数显部分的设计与分析 计数器及数显部分由计数器译码器及 5 个 7

10、段共阳 LED 数码管实现。数码管 最高位 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、锁存及译码电路由数字逻辑器件完成。本设计选用 74LS161 计数及 74HC4511 译码来 实现计数及数显部分的功能要求。2.2.1 计数器部分的分析与实现本部分的核心部件是由十六计数器74LS161 ，一共用四片 74LS161 和四片与非门采用反馈清零法制成的四个十进制计数器，四片 161 达到计数锁存相位差数 值的效果，其电路原理图如图2-5 。其最低位 161 片的脉冲由经过异或门和经过锁相倍频后的两列波经过一个与非门产生 ，这是为了保证计数器能在所求相位差的 脉冲时间内

11、计数。其输出端接译码器的输入端A、B、C、 D。其 LOAD端与异或门出来后的信号相连，当停止计数时将触发置数端产生清零的效果。图 2-5 计数器原理图芯片 74LS161 的引脚图和功能表分别如图 2-6(a) 和 2-6(b) 所示图 2-6(a) 74LS161引脚图图 2-6(b) 74LS161 功能表译码显示部分的分析与实现译码显示部分是由四片 74HC4511与四个 7 段共阳数码管来共同达到译码显示 相位差的效果，第 5 个数码管引脚的 G端与 D 触发器相连，用来显示相位差的超 前或滞后当 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

12、 时， fr 滞后于 fs ，相位取负值，符号位数码管显示“ - ”。其电路原理图如图 2-4 。芯片 4511 的 LE 端与异或门出来后的非门相连，当计数器停止工作时， 4511 将锁存 LE 由 0 跳变到 1 时的 BCD码的输入。芯片 74HC4511 的引脚图和功能表如 图 2-8(a) 和 2-9(b) 所示。图 2-7 译码显示原理图图 2-8(a) 4511 引脚图图 2-8(b) 4511 功能表结束语实验证实，本系统能够比较精确检测频率为40 60Hz，幅度为 0.5V 的电压和电流的相位差，测量精度为 0.1 ，用数码管显示测量结果相当直观和清晰，且具 备体积小、操作灵

13、活、性能稳定和性价比高的特点。本系统实现了题目基本部分以及发挥部分的要求，经过测试，相位测量仪幅度为 0.5V ，频率为 40 60Hz 的范围内稳定工作。如果要进一步提高精度和简化设 计，可将数字逻辑器件改为可编程逻辑器件，还可以 加入相位测量的自适应调节， 将锁相倍频的功能进一步完善，如改为可选测量的分辨率等，使得系统更趋于智 能化、人性化的特点。当然，本设计也有一些不足之处，如在调试的过程中数码管的显示不够稳定， 这主要是因为输入信号要要经过一个运放和一个 3600 的分频所致，还有一部分原 因是所设计的系统比较庞大，所用元器件数量偏多，参数设置不太准确，导致总 体效果不太好。改进的方法

14、是将前置运放的倍数提高，合理设置参数使锁相环的 倍频稳定。通过本次 课程设计，使我 具 备电子电路的 基础知识和查阅资料和手 册的能 力，熟悉常用电子器件和常规实验仪器及电子设计常用软件， 已掌握电子电路实 验的基本方法。参考文献（第五版 ）. 高等康华光 .电子技术基础数字部分 （ 第五版 ） 、电子技术基础数字部分 教育出版社， 1998.谢自美 .电子电路、实验及测试 M. 华中理工大学出版社， 2000.张厥胜 .锁相环频率合成器 M .电子工业出版社， 1997.陈赜 .在系统可编程技术 M .科学出版社， 2001.附录 1元器件名细表相位时间法总体电路原理图：A B C D E

15、F G U2 Q Q Q Q Q Q Q4511A B C D E F Q Q Q Q Q QR2R310kA B C D71 26 3 45附录 245117 1 2 6 3 4 5Q Q Q Q Q Q Q4511A B C DQ Q Q Q Q Q Q4511A B C D11C51U21:DU21U9Q Q Q74LS16174LS16191DADAD A O LRMD A O LRMU77400U8U274LS740Q001Q7400U1074LS161U14046CPCP1 RREN1251DOMC21000pR410kR610kR13R1410k1R5100kC1 R10010k235:ALM324C3100uFR15100kU15:C10104LM324U11141 CKA1 CKBU12U13U14R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS90R81kR7100kR101kR11100kQ0Q112QQ32 811141 CKA1 CKBR0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS90+5vU15:BQ0Q1129QQ32 811141 CKA1 CKBQ0Q1Q2Q3129D5U16:AR9 D57 3.3k 11N4148 7404LM324U15:DD613R121