數(shù)字相位差測量儀設(shè)計

1、引言相位差測量數(shù)字化的優(yōu)點在于硬件成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、對于不同的測量對象只需要改變程序的算法，且精度一般優(yōu)于模擬式測量。在電工儀表、同步檢測的數(shù)據(jù)處理以及電工實驗中，常常需要測量兩列同頻率信號之間的相位差。例如，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時，需要求兩電網(wǎng)的電信號的相位差。相位差測量的方法很多，典型的傳統(tǒng)方法是通過示波器測量，這種方法誤差較大，讀數(shù)不方便。為此，我們設(shè)計了一種基于鎖相環(huán)倍（分）頻的相位差測量儀，該儀器以鎖相環(huán)倍（分）頻電路為核心，實現(xiàn)了工頻信號相位差的自動測量及數(shù)字顯示。論文摘要本系統(tǒng)為低頻數(shù)字式相位/頻率測量儀，由移相網(wǎng)絡(luò)模塊、相位差測量模塊及頻率測量模塊三大部份構(gòu)成，其系統(tǒng)功能主要

2、是進(jìn)行相位差測量及頻率測量。移相網(wǎng)絡(luò)主要是由RC 移相電路和LM324運放電路組成，將被測信號送入移相網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)RC 移相、LM324隔離放大，產(chǎn)生兩路信號，一路為基準(zhǔn)信號經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換，另一路為移相后的信號。分別經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換、整形、二分頻送給相位測量模塊及頻率測量模塊。相位差測量儀主要是由鎖相環(huán)PLL （Phase Lock Loop）產(chǎn)生360倍頻基準(zhǔn)信號和移相網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)信號與待測信號進(jìn)行異或后的信號作為顯示器的閘門電路和控制信號。頻率測量模塊主要是用計數(shù)法測量頻率的，它是有某個已知標(biāo)準(zhǔn)時間間隔Ts 內(nèi)，測出被測信號重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)N ，然后計算出頻率f=N/Ts.顯示電路模塊主要是由計數(shù)器、鎖

3、存器、譯碼器和數(shù)碼管組成。低頻率數(shù)字相位測量儀目錄1設(shè)計任務(wù)書 .3 2設(shè)計方案概述 3 3系統(tǒng)的組成4.3.1總體框圖43.2移相網(wǎng)絡(luò)部分43.3相位測量部分61 波形轉(zhuǎn)換、整形放大82 鎖相環(huán)倍頻93 閘門電路114 控制門115 計數(shù)器116 鎖存器117 顯示譯碼器與數(shù)碼管113.4頻率測量部分121 數(shù)字頻率計的基本原理122 系統(tǒng)框圖12 4附錄- 1 -一、設(shè)計任務(wù)書（一）任務(wù)設(shè)計仿真一數(shù)字相位計（二）主要技術(shù)指標(biāo)與要求：（1）輸入信號頻率為1KHZ 20KHZ 可調(diào)（2）輸入信號的幅度為10mV（3）采用數(shù)碼管顯示結(jié)果，相位精確到0.1°（4）采用外部5V 直流電源供

4、電（三）對課程設(shè)計的成果的要求（包括圖表）設(shè)計電路，安裝調(diào)試或仿真，分析實驗結(jié)果，并寫出設(shè)計說明書。要求圖紙布局合理，符合工程要求，所有的器件的選擇要有計算依據(jù)。二、設(shè)計方案概述根椐設(shè)計任務(wù)書的要求，我們參考了一些相關(guān)資料書，經(jīng)過小組的討論分析，提出了方案：相位測量儀是利用鎖相環(huán)PLL （Phase Lock Loop）技術(shù)組成相位差測量儀?；鶞?zhǔn)信號與待測信號進(jìn)行異或后的信號作為計數(shù)器的閘門控制信號來控制計數(shù)器，使計數(shù)器在待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差間計數(shù)，則計數(shù)器計出來的數(shù)值則為待測信號與基準(zhǔn)信號間的相位差。數(shù)字頻率計實際上就是一個脈沖計數(shù)器, 即在單位時間里(如1S 所統(tǒng)計的脈沖個數(shù).

5、圖1是數(shù)字頻率計原理廣框圖. 該系統(tǒng)主要由輸入整形電路晶體振蕩器分頻器及量程選擇開關(guān)門控電路閘門計數(shù)譯碼顯示電路等組成. 首先, 把被測信號(以正弦波為例 通過放大整形電路將其轉(zhuǎn)換成同頻率的脈沖信號, 然后將它加到閘門的一個輸入端. 閘門的別一個輸入端是門控電路發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)脈沖, 只有在門控電路的輸入高電平的時間T 是非常準(zhǔn)確的, 它由一個高穩(wěn)定的石英振蕩器和一個多級分頻器及量程選擇開關(guān)共同決定. 邏輯控制電路是控制計數(shù)器的工作順序的, 使計數(shù)器按照一定的工作程序進(jìn)行有條理的工作(例如準(zhǔn)備-計數(shù)-顯示-清零-準(zhǔn)備下一次測量.低頻率數(shù)字相位測量儀 三、系統(tǒng)的組成（一） 總體框圖（見圖3.1）低頻數(shù)

6、字相位差、頻率測量儀的組成框圖（二）移相網(wǎng)絡(luò)部分(圖3.1移相網(wǎng)絡(luò)是由二節(jié)RC 超前或滯后移相網(wǎng)絡(luò)、集成運算放放大器組成的電壓跟隨器和運放組成的。一節(jié)RC 電路如圖所示。由它的相量圖可知超一個相角，當(dāng)f 0時，90°；f 時，0。這說明：一節(jié)RC電路最大相移不超過90°，不能滿足相位平衡條件。若兩節(jié)RC 電路最大相移雖 - 1 -可接近180°，但此時頻率必須很低，從而容抗很大，致使輸出電壓接近于零，所以本電路又加了電壓跟隨器和放大器。 RC 移相器，具有電路簡單，經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點，但選頻作用較差，振幅不夠穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)不便，因此一般用于頻率固定、穩(wěn)定性要求不高的場

7、合。如圖3.2所示移相網(wǎng)絡(luò)的電路 移相網(wǎng)絡(luò)電路由于不同的頻率輸入要達(dá)到準(zhǔn)確的移相，電阻和電容的參數(shù)就要改變才能使RC 正常移相。本電路電路調(diào)試了三組參數(shù)分別為100HZ 、500HZ 、1KHZ 。其計數(shù)公式：f =11，得R =2fC 2RC本電路是通過撥碼開關(guān)對相位計的量程的進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，調(diào)整電位器R7即可對輸入信號進(jìn)行±45如上圖所示，R7的下端電壓為：V 下=Vin w 為輸入信號的角頻率。（三）相位測量部分jwc，Vin 為輸入信號，R +jwc目前廣泛使用的是直接式數(shù)字相位計, 其原理如圖所示, 被測信號U1,U2分別經(jīng)過過零比較器1和2, 使得信號由負(fù)到正通過零點時產(chǎn)生一

8、個脈沖信號, 由這兩個脈沖信號控制RS 觸發(fā)器的工作狀態(tài), 使RS 觸發(fā)器給出一個脈沖寬度等于兩個被測信號間時延T 的矩形波, 如圖3.3所示, 用這個矩形波作為與門的門控信號, 控制標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個數(shù), 由計數(shù)器記錄通過與門的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù). 設(shè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖周期為TS, 并以與開啟1秒種作為計時標(biāo)準(zhǔn), 即與門開通1秒種相當(dāng)于兩信號的相位差為3600, 此時, 計數(shù)器的計數(shù)值為1/TS.若兩被測信號的周期為TX, 則被測信事情一周期內(nèi)與門開通的時間為兩被測信號的時延T, 那么1秒內(nèi)與門開通的總時間為 t=1/TX *而1秒內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值N 為 N=t/T=S /TX *Ts則兩被測信號間的時延T 為 =

9、N*TX *TS則兩被測信號間的相位差為 =/TX *3600=N*TS *3600 最后由譯碼顯示電路將測量結(jié)果直接顯示出來.本電路經(jīng)過討論決定用脈沖計數(shù)法測量相位差其方框圖如圖3.4所示： 相位差測量框圖 一）波形轉(zhuǎn)換、整形放大移相網(wǎng)絡(luò)輸出的兩個信號A 、B 經(jīng)過運放LM324波形轉(zhuǎn)換把正弦波轉(zhuǎn)換成方波，為了能測量不同電平值與波形的周期信號的相位, 必須對被測信號進(jìn)行放大與整形處理, 使之成為能被計數(shù)器有效識別的脈沖信號. 信號放大與波形整形電路的作用即在于此. 信號放大可能采用一般的運算放大電路, 波形整形可以采用施特觸發(fā)器，整后送給D 觸發(fā)器74LS74二分頻輸出二個方波信號，電路如圖

10、3.5所示。 波形轉(zhuǎn)換、整形、二分頻電路二）鎖相環(huán)倍頻鎖相式數(shù)字頻率合成器電路原理框圖如圖所示： 1、鎖相式數(shù)字頻率合成器的組成與基本工作原理 圖中的相位比較器與壓控振蕩器VCO 由鎖相環(huán)LM4046組成。1/N分頻電路是一個三級可預(yù)置數(shù)分頻器，各級都采用可預(yù)置數(shù)BCD 碼同步1/N制計數(shù)器MC14522，每級的分頻比可由單片機(jī)去控制，也可用4 位小型撥動開關(guān)以8421BCD 碼形式對該級計數(shù)器進(jìn)行預(yù)置數(shù)，分頻比可選擇的范圍為0999，總共可生成999個頻率點，它是構(gòu)成鎖相式數(shù)字頻率合成器的主要單元電路之一，稱之為程序分頻器TN 。按所需的分頻比N ，預(yù)先輸入百位、十位和個位的數(shù)據(jù)后，給404

11、6鎖相環(huán)相位比較器（第14引腳P D11），輸入頻率為f R 的方波信號U R ；壓控振蕩器產(chǎn)生頻率為f0的輸出信號U0，經(jīng)程序分頻器TN 后，得到頻率為f V 的比較信號U V ，送至相位比較器（第3 引腳P DI2）。這兩個信號在相位比較器中進(jìn)行比較，當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，可得到： f R = f V 其中： f V= f 0/N 代入得： f R = f 0/N 即： f 0=N ×f R由此可知，當(dāng)f R 固定不變時，改變?nèi)壋绦蚍诸l器的分頻比N ，VCO 的輸出振蕩頻率（也就是頻率合成器的輸出頻率）f 0就會得到相應(yīng)地改變。這樣，只要輸入一個固定信號頻率f R ，即可得到一系列所

12、需要的頻率，其頻率間隔等于f R ，對于選擇不同的f R ，則可以獲得不同的f R 頻率間隔。 例如： 設(shè)輸入的f R =1.024KHz，N 取為132，則 f 0= N× f R =132*1.024KHz=135.168 KHz。 2、實際使用的相位比較器與環(huán)路低通濾波器4046鎖相環(huán)集成電路內(nèi)部含有兩個相位比較器，其中相位比較器I 為 異或門（即模為二和結(jié)構(gòu)）比較器，為使鎖相范圍最大，通常要求兩個輸入信號PD 11和PD 12的占空比必須為50%的方波，而相位比較器為過沿控制式比較器，它只由兩個信號的上升沿作用，因此不要求波形占空比為50%。由于本實驗系統(tǒng)電路基本鎖相環(huán)實驗電

13、路與鎖相式數(shù)字頻率合成器實驗電路二者均組合在一起，基于相位比較器的比較信號來自程序分頻器電路，占空比非50%，因而本實驗電路選用相位比較器。該比較器不僅具有鑒相功能，而且具有鑒頻功能，當(dāng)兩個輸入信號U R 和U V 頻差很大時，環(huán)路從鑒相工作狀態(tài)自動轉(zhuǎn)入鑒頻工作狀態(tài)，迫使f V 接近f R 等到f V = f R 時，環(huán)路比鑒頻器工作狀態(tài)自動轉(zhuǎn)入鑒相工作狀態(tài)，這種數(shù)字鑒相器把鑒頻與鑒相密切結(jié)合在一起，使用較為方便。相位比較器輸出的相位誤差電壓是周期性脈沖波形，需要使用環(huán)路低通濾波器將它平滑后輸出一個直流控制電壓，去控制VCO 頻率和相位，使之向減小誤差方向變化，以消除頻差與相差，從而達(dá)到鎖定狀

14、態(tài)。對于高頻噪聲及其它交流諧波分量，它們將受到濾波器的抑制。環(huán)路低通濾波器由外接的R 、C 元件組成無源比例積分濾波器。三）閘門電路閘門電路的作用是控制計數(shù)器的輸入脈沖，使計數(shù)器僅在兩信號的相位差之間計數(shù)。四）控制門 控制電路的輸入信號是異或門的輸出信號A ，由上圖可知控制電路在信號A的下降沿時，要先將計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果送入鎖存器進(jìn)行鎖存，然后對計數(shù)器進(jìn)行清零，以便計數(shù)器下一次能正常工作?？刂齐娐?4LS386和74LS04組成。五）計數(shù)器計數(shù)器的作用是對輸入脈沖計數(shù). 根據(jù)設(shè)計要求, 最高測量相位差為一度，應(yīng)采用3位十進(jìn)制計數(shù)器. 本電路選用74LS160集成計數(shù)器. 六）鎖存器在移相網(wǎng)絡(luò)的兩

15、個相位差內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果(被測信號相位 必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值. 鎖存器通過觸發(fā)脈沖的控制, 將測得的數(shù)據(jù)寄存起來, 送顯示譯碼器. 鎖存器可能采用一般的8位并行輸入寄存器. 為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定, 最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件.七）顯示譯碼器與數(shù)碼管是把用BCD 碼表示的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動數(shù)碼管正常段信事情, 以獲得數(shù)字顯示. 顯示譯碼器的輸出方式必須與數(shù)碼管匹配（共陰共陽之分）。（四） 頻率測量部分在許多情況下, 要對信號的頻率進(jìn)行測量. 利用示波器可能粗略測量被測信號的頻率, 精確測量則要用到數(shù)字頻率計. 數(shù)字頻率計用到的數(shù)字技術(shù)很多. 本節(jié)數(shù)字頻率計的設(shè)計與制作項目可以進(jìn)一步加深我

16、們對數(shù)字電路應(yīng)用技術(shù)方面的了解與認(rèn)識, 進(jìn)一步熟悉數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計制作與調(diào)試的方法和步驟一）數(shù)字頻率計的基本原理數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率. 頻率是在單位時間(1S內(nèi)信號周期性變化的次數(shù). 如果我們能在給定的1S 時間內(nèi)對信號波形計數(shù), 并將計數(shù)結(jié)果顯示出來, 就能讀取被測信號的頻率. 其頻率可表示為：f =N數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準(zhǔn)確時間, 同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號, 然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù), 將其換算后顯示出來. 這就是數(shù)字頻率計的基本原理.二）系統(tǒng)框圖從數(shù)字頻率計的基本原理出發(fā), 根據(jù)設(shè)計要求, 得到如圖所示

17、的電路框圖 數(shù)字頻率計的框圖把被測信號(以正弦波為例 通過放大整形電路將其轉(zhuǎn)換成同頻率的脈沖信號，其頻率與被測信號時基電路提供標(biāo)準(zhǔn)的1s 時間基準(zhǔn)信號，fx 的頻率相同。其高電平持續(xù)時間t 1=1s ，當(dāng)1s 信號來到時，閘門開通，被測信號通過閘門，計數(shù)器開始計數(shù)，直到1s 信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，停止計數(shù)。若在閘門時間1s 內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為N ，則被測信號頻率fx NH Z 。控制電路有兩個輸出信號：一個信號是產(chǎn)生上升沿的脈沖送入鎖存器進(jìn)行鎖存，使送到譯碼器的數(shù)穩(wěn)定，使得顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；另一個信號是產(chǎn)生一個下降沿的脈沖給計數(shù)器清零端清零，使計數(shù)器在每次1s 過后清零從零開始新的一輪計

18、數(shù)。邏輯控制電路是控制計數(shù)器的工作順序的, 使計數(shù)器按照一定的工作程序進(jìn)行有條理的工作(例如準(zhǔn)備-計數(shù) -顯示-清零-準(zhǔn)備下一次測量. 時序關(guān)系圖如圖所示： 頻率測量模塊波形圖下面介紹框圖各部分的功能及實現(xiàn)方法：1、放大整形電路a 信號經(jīng)過運放LM324波形轉(zhuǎn)換把正弦波轉(zhuǎn)換成方波，為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率, 必須對被測信號進(jìn)行放大與整形處理, 使之成為能被計數(shù)器有效識別的脈沖信號. 信號放大與波形整形電路的作用即在于此. 信號放大可能采用一般的運算放大電路, 波形整形可以采用施特觸發(fā)器，本電路是采用74LS04非門整形的。b 調(diào)試方法是將頻率為1000HZ幅值為0.5V 的正

19、弦信號到輸入到放大整形電路中, 用示波器觀察輸出波形應(yīng)為對稱的方波信號.2、1秒的時基信號發(fā)生器秒信號發(fā)生器是數(shù)字電子鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘質(zhì)量，通常用晶體體振蕩器產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1HZ 的秒脈沖。常用的典型電路如圖所示。 1S 的時基電路CD4060是14位二進(jìn)制計數(shù)器。它內(nèi)部有14級二分頻器，有兩個反相器。CP1（11腳）、/CP0（10腳）分別為時鐘輸入、輸出端，即內(nèi)部反相器G1的輸入、輸出端。圖中R 為反饋電阻（10MG100MG），目的是為CMOS 反相器提供偏置，使其工作在放大狀態(tài)。C1是頻率微調(diào)電容，取5/30PF，C2是溫度特性校正用電容，一般取

20、2050PF。內(nèi)部反相器G2反相器起整形作用，且提高帶負(fù)載能力。石英晶體采用32768HZ 晶振，若要得到1HZ 的脈沖，則需經(jīng)過15級二分頻器完成 ，由于CD4060只能實現(xiàn)14分頻，故必須外加一級分頻器，可采用CD4013雙D 觸發(fā)器完成。3 、計數(shù)、譯碼、顯示部分工作原理：當(dāng)閘門信號打開時送給計數(shù)器一個上升沿電壓，計數(shù)器開始計數(shù)，等到門控電路送一個1S 的信號去鎖存計數(shù)器在1S 內(nèi)計數(shù)的次就等于被測信號的頻率。波形如圖所示：計數(shù)、譯碼、顯示波形圖應(yīng)用中的幾個注意問題（1）改善穩(wěn)壓器工作穩(wěn)定性和瞬變響應(yīng)的措施三端固定集成穩(wěn)器的典型應(yīng)用電路如圖所示. 圖(A適合7800系列,UI 、UO 均是正值; 圖(B適合7900系列, UI 、UO 均是負(fù)值; 其中UI 是整流濾波電路的輸出電壓. 在靠近三端集成穩(wěn)壓器輸入、輸出端, 一般要接入C1=0.33UF和C2=0.1UF電容, 其目的是使穩(wěn)壓器在整個輸入電壓和輸出電流變化范圍內(nèi), 提高其工作穩(wěn)定性和改善瞬變響應(yīng). 為了獲得最佳的效果, 電容器應(yīng)選用頻率特性好的陶瓷電容或膽電容為宜. 另外為了進(jìn)一步減小輸出電壓的絞波, 一般在集成穩(wěn)壓器的輸出端并入一幾百UF 的電解電容 .(A CW7800系列穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用 (B CW7900系列穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用 (2 確