低頻數(shù)字式相位測量儀

1、中北大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書學(xué)生姓名:王瑾琦學(xué) 號(hào)：0518140104學(xué) 院:電子與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院專 業(yè):電子科學(xué)與技術(shù)題 目:低頻數(shù)字式相位測量儀系主任任勇峰指導(dǎo)教師： 李圣昆 職稱: 講師 2008 年 1 月 5 日一、 設(shè)計(jì)目的 掌握電子電路的一般設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程； 學(xué)習(xí)使用PROTEL軟件繪制電路原理圖及印刷板圖； 掌握應(yīng)用EWB對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。二、 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡易低頻數(shù)字式相位測量儀，具體要求如下：1. 頻率范圍：10Hz10kHz。2相位測量儀的輸入阻抗100千歐。 3. 相位測量絕對(duì)誤差2度。三、 設(shè)計(jì)內(nèi)容（一） 相位差

2、測量1原理分析輸入兩路同頻率的正弦波信號(hào)，其波形表達(dá)式分別為： 其中、為電壓瞬時(shí)值，、為電壓的幅值，為角頻率，、為初始相角，當(dāng)兩路信號(hào)的頻率相同時(shí)，相角差是一個(gè)與時(shí)間無關(guān)的常數(shù)將此兩路正弦波信號(hào)經(jīng)過放大整形成兩路占空比為50%的正方波信號(hào)f1、f2，經(jīng)過異或門輸出一個(gè)脈沖序列A，與晶振產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖波B進(jìn)行與操作得到調(diào)制后的波形C，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)B、C中脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)得、，則其相位差計(jì)算公式為，采用多個(gè)周期計(jì)數(shù)取平均值的方式以提高測相精度。系統(tǒng)框圖如圖2-1-2所示：2原理電路 前級(jí)放大整形電路：兩列正弦波信號(hào)經(jīng)過一級(jí)電壓跟隨器以提高測量儀的輸入阻抗，選用高精度、低漂移型運(yùn)放TLE2

3、074使輸入阻抗達(dá)到兆歐數(shù)量級(jí)，由LM311構(gòu)成的遲滯回環(huán)比較器可以有效的避免在過零點(diǎn)時(shí)信號(hào)的干擾和抖動(dòng)所引起的電壓跳變，最后通過一級(jí)單門限電壓比較器輸出兩路TTL電平信號(hào)，經(jīng)異或門得到方波的脈沖序列。該前級(jí)放大整形電路的基本原理圖如下： 相位差測量電路通過理論分析，基準(zhǔn)頻率越高，記得的窄脈沖個(gè)數(shù)越多，相位差的測量也越精確，但是受到8254極限工作頻率的影響，最終選取8.000MHz的晶振，由單片機(jī)I/O口控制兩片8254分別對(duì)兩路脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，將8254內(nèi)含的兩路計(jì)數(shù)器進(jìn)行級(jí)聯(lián)以提高計(jì)數(shù)位數(shù)，對(duì)32位的計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算使得相位差測量的分辨率達(dá)到0.1，其原理圖如圖2-1-4所示： 相位極

4、性判別電路在圖2-1-4所示的相位測量電路中，只能給出相位差的大小，無法判斷波形的超前或者滯后，因此將波形整形電路的兩路輸出方波送入D觸發(fā)器中進(jìn)行相位極性判別，當(dāng)超前時(shí)，Q端輸出高電平，反之輸出低電平，極性判別的原理圖如右圖215所示。 注：此次實(shí)驗(yàn)，也曾設(shè)想過設(shè)計(jì)更完整的電路?，F(xiàn)在將完成的電路的原理附在后面，見附頁三。（二）相位測試模塊流程圖如圖3-1-1所示：圖3-1-1 相位測試流程圖四、 原理圖和印刷板1. 前級(jí)放大整形電路部分： 通過Protel制作的電路原理圖 PCB印刷板封裝名：Part TypeDesignatorFootprint2KRCAXIAL-1.02KRAAXIAL-

5、1.02KRBAXIAL-1.02KRDAXIAL-1.09.1KR4AXIAL-1.09.1KR3AXIAL-1.010KR2AXIAL-1.010KR1AXIAL-1.074ALS86UEDIP-14100KR9AXIAL-1.0100KR5AXIAL-1.0100KR10AXIAL-1.0100KR6AXIAL-1.0500R8AXIAL-1.0500R7AXIAL-1.0LM311U2DIP-8LM311U1DIP-8LM311U3DIP-8LM311U4DIP-8TLE2074UDDIP-8TLE2074UBDIP-8TLE2074UADIP-8TLE2074UCDIP-8 所生成的

6、網(wǎng)絡(luò)表見附頁一與附頁二。2. 相位差測量電路部分： 通過Protel制作的電路原理圖 封裝名：Part TypeDesignatorFootprint74HC20U5DIP-1474HC20U4DIP-148254U2DIP-248254U1DIP-24VPULSEV1五、 仿真圖形和仿真結(jié)果由于無法找到相關(guān)器件，所以無法使用EWB軟件進(jìn)行仿真。使用Prosys軟件對(duì)總體電路即下圖進(jìn)行仿真，原理及仿真圖見附頁三。六 相位測量電路誤差分析在相位測量過程中，受電子元器件性能的影響，在正弦波經(jīng)過零檢測電路整成方波的過程之中，兩路信號(hào)不可能做到時(shí)延特性完全的一致，前端放大電路以及過零檢測電路會(huì)帶來方波

7、信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)的過零點(diǎn)偏移，所以得到的兩個(gè)方波信號(hào)的相位差實(shí)際上是輸入信號(hào)的相位差和兩路過零比較電路相位差的綜合相差，由于是在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此將引入截?cái)嗾`差，尤其當(dāng)兩路信號(hào)的相位差較小時(shí)，截?cái)嗾`差的存在將在很大程度上對(duì)相位測量的精度造成影響。七 設(shè)計(jì)結(jié)論本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了題目基本部分以及發(fā)揮部分的要求，經(jīng)過測試，相位測量儀的測量范圍為：電壓（峰峰值）：0.2V30V；頻率：2Hz65kHz；顯示分辨率為0.01度，測量的絕對(duì)誤差在2以內(nèi)。 八. 設(shè)計(jì)心得體會(huì)a)根據(jù)指導(dǎo)教師布置的課題，學(xué)會(huì)了找參考書籍、查閱手冊(cè)、圖表和文獻(xiàn)資料等。通過獨(dú)立思考，深入鉆研有關(guān)問題，學(xué)會(huì)了自己分

8、析解決問題的方法。b)掌握了電子線路的焊接技術(shù)，了解了印制版的制作技術(shù)。c) 通過實(shí)際電路方案的分析比較、設(shè)計(jì)計(jì)算、元件選取、安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)，初步掌握了簡單實(shí)用電路的分析方法和工程設(shè)計(jì)方法。d) 掌握了常用儀器設(shè)備的正確使用方法，學(xué)會(huì)了簡單電路的實(shí)驗(yàn)調(diào)試和整機(jī)指標(biāo)測試方法，提高了動(dòng)手能力。e) 了解了與課題有關(guān)的電子線路以及元器件工程技術(shù)規(guī)范。f) 培養(yǎng)了嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和科學(xué)態(tài)度。九. 主要參考文獻(xiàn) 童詩白模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：高等教育出版社，2002 張建華數(shù)字電子技術(shù)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 陳汝全電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊(cè)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 畢滿清電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)

9、計(jì)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 潘永雄電子線路CAD實(shí)用教程西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002 張亞華電子電路計(jì)算機(jī)輔助分析和輔助設(shè)計(jì)北京：航空工業(yè)出版社，2004附頁一：前級(jí)放大整形電路部分 網(wǎng)絡(luò)表（一） 附頁二：前級(jí)放大整形電路部分 網(wǎng)絡(luò)表（二） 附頁三： 總體設(shè)計(jì)原理及電路圖 設(shè)計(jì)思路及原理： 采用鎖相環(huán)CD4046組成的高精度相位測量電路，用于測量兩信號(hào)的相位時(shí)精度可達(dá)0.1度。 被測信號(hào)和加到用運(yùn)算放大器U1和U2構(gòu)成的輸入隔離電路上，實(shí)現(xiàn)放大和整形，然后分別經(jīng)過運(yùn)算放大器U3和U4構(gòu)成的兩個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)比較器，產(chǎn)生和 。圖中的比較器是作為零相位校準(zhǔn)開關(guān)而設(shè)置的，當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)加到

10、兩個(gè)通道時(shí)（開關(guān)K撥至“校零”， 基準(zhǔn)信號(hào)由 端輸入），通過兩個(gè)通道中的比較器輸入端1K 電位器的調(diào)節(jié)，將兩個(gè)通道中的相位差調(diào)到零。從而顯示器顯示為零，校零完畢后，被測信號(hào)從 和端輸入，開關(guān)K撥至“測量”。 電路中的鎖相環(huán)PLL芯片CD4046的輸出頻率在3600倍以上，于是CD4046管腳4的輸出信號(hào)是與端輸入信號(hào)同相，且頻率為端輸入信號(hào)頻率3600倍的脈沖，作為相位差計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘。電路實(shí)現(xiàn)相位差測量的原理是對(duì)脈沖上升沿和脈沖上升沿之間的間隔時(shí)間進(jìn)行測量，并用七段顯示器顯示測量結(jié)果。電路中的相位差計(jì)數(shù)器由四片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/譯碼器CD4046級(jí)聯(lián)構(gòu)成，最大計(jì)數(shù)器為9999。脈沖上升沿經(jīng)400PF和1K 電阻構(gòu)成的微分電路產(chǎn)生一個(gè)正的脈沖作用在CD4046的CLD端（管腳4），使CD4046復(fù)位，同時(shí)脈沖上升沿使U5（觸發(fā)器D）置位。QA變?yōu)楦唠娖?，啟?dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；此時(shí)禁止顯示器顯示。當(dāng)脈沖上升沿來時(shí)，觸發(fā)U6，使Q變?yōu)楦唠娖?，從而U5異步復(fù)位，U6也隨之復(fù)位；Q變?yōu)榈碗娖?，禁止繼續(xù)計(jì)數(shù)，同時(shí)選通顯示器，顯示計(jì)數(shù)結(jié)果。當(dāng)脈沖上升沿