相位差測(cè)量電路設(shè)計(jì)

1、嫁黃2亭吃本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（2015屆）題目：相位差測(cè)量電路的設(shè)計(jì)學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：職稱（學(xué)位）：講師合作導(dǎo)師：職稱（學(xué)位）：完成時(shí)間：2015年5月28日成績：黃山學(xué)院教務(wù)處制原創(chuàng)性聲明茲呈交的設(shè)計(jì)作品，是本人在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的成果。本人在設(shè)計(jì)中參考的其他個(gè)人或集體的成果，均在設(shè)計(jì)作品文字說明中以明確方式標(biāo)明。本人依法享有和承擔(dān)由此設(shè)計(jì)作品而產(chǎn)生的權(quán)利和責(zé)任。聲明人（簽名）：年月日摘要1英文摘要2.1緒論2.1.1 研究背景及意義3.1.2 發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)31.2.1 國外發(fā)展?fàn)顩r3.1.2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r4.1.2.3 發(fā)展趨勢(shì)5.2相位差測(cè)

2、量的基本原理5.1.1.1 相位的基本概念5.1.2.1 相位差測(cè)量原理5.1.3.1 電路設(shè)計(jì)原理6.3設(shè)計(jì)與分析6.1 移相電路6.1 方案分析6.1 移相電路設(shè)計(jì)8.1 檢測(cè)電路8.1 方案分析8.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)111 LM339特性分析121 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器.131 計(jì)數(shù)顯示電路1.41 方案分析1.41 計(jì)數(shù)顯示電路設(shè)計(jì)141 數(shù)碼管工作原理154仿真與調(diào)試165實(shí)驗(yàn)分析18總結(jié)1.9參考文獻(xiàn)20致謝錯(cuò)誤！未定義書簽。附錄21.相位差測(cè)量電路設(shè)計(jì)機(jī)電工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)指導(dǎo)老師：（講師）摘要：隨著計(jì)算機(jī)以及電子技術(shù)的發(fā)展，相位差測(cè)量技術(shù)作為常用的信號(hào)測(cè)量技術(shù)，得到了快速發(fā)展，已經(jīng)成為現(xiàn)

3、代科學(xué)研究不可或缺的一部分。相位檢測(cè)在信號(hào)變換、信息采集、控制等方面有著重要的意義，特別是在電氣、工業(yè)自動(dòng)化、智能控制及通訊電子等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。因此，相位差測(cè)量技術(shù)在信號(hào)的處理、檢測(cè)方面有著極其重要的作用。為了滿足本課題的要求，從相位差的測(cè)量方法入手，設(shè)計(jì)了一個(gè)相位差檢測(cè)電路，該電路可測(cè)試一個(gè)經(jīng)過移相電路的信號(hào)（正弦波）移相后與原信號(hào)間存在的相位差，可由測(cè)試電路檢測(cè)并顯示。該設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面的即移相電路設(shè)計(jì)、相位差測(cè)量電路設(shè)計(jì)、計(jì)數(shù)顯示電路設(shè)計(jì)等。其主要過程是將源信號(hào)為一個(gè)正弦波經(jīng)過由兩級(jí)RC移相器和電壓跟隨器組成的移相電路后，得到一個(gè)移相后的正弦波，兩個(gè)信號(hào)輸入相位差檢測(cè)電路進(jìn)

4、行整形電路和獲得源信號(hào)和移相后信號(hào)的相位差信號(hào)，最后輸出相位差波形的寬度，即源信號(hào)的過零點(diǎn)與被測(cè)量信號(hào)的過零點(diǎn)之間的時(shí)間差。然后再通過顯示電路，最終由共陰極數(shù)碼管顯示出來。關(guān)鍵詞：相位差；移相電路；檢測(cè)電路；計(jì)數(shù)顯示電路；整形電路DesignofCircuitinPhaseDifferenceMeasurement(Collegeofmechanicalandelectricalengineering,HuangshanUniversity,245021)Abstract:Withthedevelopmentofcomputerandelectronictechnology,thephased

5、ifferencemeasurementtechnology,asacommonsignalmeasurementtechnology,hasbeenrapiddevelopmentandhasbecomeanindispensablepartofmodernscientificresearch.Phasedetectionisofgreatsignificanceintermsofsignaltransformation,datacollection,control,especiallyitiswidelyusedinmanyfields,suchaselectrical,industria

6、lautomation,intelligentcontrolandcommunications,electronicsandsoon.Therefore,phasedifferencemeasurementtechnologyplaysaveryimportantroleinsignalprocessinganddetection.Inordertomeettherequirementsofthissubject,Idesignedaphasedifferencedetectioncircuitstartingfromthephasedifferencemeasurementmethod.Th

7、ecircuitcantestaafteraphaseshiftcircuitsignal(asinewavephaseshifterbetweentheoriginalsignalandthephasedifferencecanbedetectedanddisplaybythetestcircuit.Thedesignmainlyincludesthreeaspects:thephaseshiftcircuitdesign,thephasedifferencemeasurementcircuitdesign,thecountinganddisplaycircuitdesign,etc.Sou

8、rceafterasinewavebytwostageRCphaseshifterandvoltagefollowerofphase-shiftcircuit,aphaseshiftingsinewaveisthemainprocess,thetwoinputsignalphasedifferencedetectioncircuitshapingcircuitandsourcesignalandphasesignalphasedisparitysignal,finallyoutputphasedifferencewaveformwidth,namelysignalsourceofzeroand

9、measuredsignalzerocrossingpointbetweenthetimedifference.Andthenthroughthedisplaycircuit,andultimatelybythecommoncathodedigitaltubedisplay.Keywords:Phasedifference;Detectioncircuit;Countingdisplaycircuit;Displaycircuit;Plasticcircuit1緒論研究背景及意義隨著微機(jī)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，信號(hào)相位測(cè)量技術(shù)已成為現(xiàn)代科技社會(huì)不可缺少的一部分。相位差測(cè)量在多方面有著重要意義，包

10、括信息的采集、信號(hào)的檢測(cè)和控制等等方面，特別是在電力行業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、智能化和其他的通訊電子等方面有著廣泛應(yīng)用。例如：(1)確定電路諧振特性。當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，該電路的L、C兩端的電壓相等但相位相反，所以兩信號(hào)相互抵消，即可確定兩個(gè)信號(hào)的相位為零。因此，根據(jù)相位差來確定該電路是否發(fā)生諧振。(2)測(cè)量信號(hào)的傳輸特性。我們可以通過測(cè)量某個(gè)信號(hào)的幅頻和相頻的特性，然后根據(jù)以此來分析信號(hào)的傳輸特性。(3)測(cè)量信號(hào)的延時(shí)特性。通過測(cè)量信號(hào)的相位差，可以分析該信號(hào)的延時(shí)特性。(4)測(cè)量和校正伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是自動(dòng)控制的重要組成部分，因其電動(dòng)機(jī)、解調(diào)器等都設(shè)計(jì)成響應(yīng)于同相信號(hào)，故它需要經(jīng)常測(cè)量信號(hào)的相位。

11、(5)測(cè)量功率因數(shù)。如在交流電路中，功率因數(shù)是電壓與電流之間相位差的余弦，用cose表示。因?yàn)槿张ccose是函數(shù)關(guān)系，因此可以通過使用相位差測(cè)量的方法，先測(cè)得日值后再計(jì)算cos9的值。(6)測(cè)量距離和方向。該功能應(yīng)用非常的廣泛，如相位式激光測(cè)距，其原理是通過發(fā)出連續(xù)的調(diào)制光波來回往返產(chǎn)生的相位延遲進(jìn)行測(cè)量，間接的測(cè)量出光經(jīng)過被測(cè)物體距離的時(shí)間，從而求出被測(cè)距離1。由此可見，相位差測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、勘探、電力、航空航天、石油冶金等多種領(lǐng)域。發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)國外發(fā)展?fàn)顩r國外對(duì)于相位差測(cè)量的研究起步早，如俄羅斯、英國、德國尤其美國該技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。如美國的Agilent(安捷倫)、德國

12、德圖、日本橫河等公司在相位差測(cè)量技術(shù)方面取得優(yōu)異的成就，如圖1-1所示，Agilent53132A型通用計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器頻率分辨率達(dá)12位/秒；頻率范圍：CH1和2:dc225MHz;測(cè)量速度可達(dá)到200次測(cè)量/秒在GPIB上。如圖1-2所示，美國CH公司生產(chǎn)的型號(hào)CH6000A高精度相位計(jì)，其分別率達(dá)0.001°,是迄今最好的相位計(jì)，精度0.020；頻率響應(yīng)：5Hz1MHz,增加了USB接口，利用了最新的數(shù)字技術(shù)和優(yōu)化模擬設(shè)計(jì)。國外的產(chǎn)品主要特點(diǎn)是可以測(cè)量幅值、周期還包括相位、頻率等多種參數(shù)的測(cè)量，尤其重要的是他們的產(chǎn)品測(cè)量精度高，利用非常先進(jìn)的數(shù)字芯片，這樣的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、頻

13、率范圍寬、抗干擾好。圖1-1Agilent53132A型計(jì)數(shù)器圖1-2CH6000A型高精度相位計(jì)國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r與國外技術(shù)相比，我國該項(xiàng)目研究相對(duì)落后，它起步于上個(gè)世紀(jì)六、七十年代，我國在此后的幾十年取得了較大成就，但是測(cè)量精度相對(duì)低、使用的頻率范圍窄以及采用的器件、方法和技術(shù)與國外相比還是有很大的差距。隨著國內(nèi)技術(shù)發(fā)展迅速，國內(nèi)相位計(jì)產(chǎn)品技術(shù)得到快速提高，如上海旺平電氣有限公司生產(chǎn)的WP9066A多功能相位計(jì)，如圖1-3所示，該相位計(jì)可用表或數(shù)字液晶顯示。該相位計(jì)主要參數(shù)如表1-1所示，相位測(cè)量范圍大、頻率高、測(cè)量精度相對(duì)較高等眾多優(yōu)點(diǎn)，其功能主要用于雙電力系統(tǒng)，測(cè)量交流電流，電壓兩電壓之間，

14、兩電流之間，及電壓、電流之間的相位角度。圖1-3WP9066A多功能相位計(jì)表1-1WP9066A多功能相位計(jì)技術(shù)參數(shù)回測(cè)量范圍測(cè)量精度相位0360°當(dāng)。電壓0250V*5%電流0.140A*頻率1Hz9999Hz1Hz功能測(cè)量交流電流，電壓兩電壓之間，兩電流之間，的相位角度及電壓、電流之間總的來說，我國的相位差測(cè)量技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品種類少、產(chǎn)品測(cè)試功能單一，尤其重要的是儀器測(cè)量精度、數(shù)字化和自動(dòng)化程度低。發(fā)展趨勢(shì)早期階段的相位差測(cè)量技術(shù)一般采用的方法包括李沙育法、和差法、阻抗法等，這些測(cè)量方法雖然簡單，但是重大弊端是測(cè)量精度低，不符合現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和

15、需要，所以出現(xiàn)利用數(shù)字電路、微處理器等構(gòu)成電路系統(tǒng)，使得測(cè)量精度得到極大的提高。該技術(shù)極大的簡化設(shè)計(jì)程序，使得測(cè)量精度更高、功能齊全，是目前社會(huì)未來發(fā)展的趨勢(shì)。目前，相位差測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域和部門，如今測(cè)量電路具有運(yùn)行速度快、高精度、低成本等優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V并取得了許多新的進(jìn)展。尤其國防技術(shù)的發(fā)展，需要發(fā)展高精度、多種功能的相位計(jì)。因此，在各種實(shí)時(shí)系統(tǒng)之中對(duì)于相位差測(cè)量技術(shù)極其重要。為了滿足本課題的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)相位差檢測(cè)電路，包括移相電路和顯示電路，該電路的主要功能是可以測(cè)量原信號(hào)和一個(gè)經(jīng)過移相電路的信號(hào)(正弦波)移相后之間存在的相位差，并最終由數(shù)碼管顯示。2相位差測(cè)量的基本

16、原理相位的基本概念相位是信號(hào)的三種特性之一，它說明諧振波振蕩在某一瞬時(shí)的狀態(tài)。在數(shù)學(xué)上定義為正弦或余弦的幅角，其數(shù)學(xué)模型為：u(t)=EmSinqt+H)(2-1)式(2-1)中Em稱為幅值，且Em=V2E,E稱為有效值，日是初始角，到+8是相位角，通常稱為相位，可表示為：甲(t)=0t+e(2-2)相位差測(cè)量原理只有兩個(gè)同頻率信號(hào)的相位差才有意義，我們可以通過式(2-2)可以看出相位是時(shí)間t的線性函數(shù)，令Q(t)、中2表示角頻率為新、缶2的兩個(gè)簡諧振蕩的相位，則有：中=%(t)92(t)=(叫S2)t+(4仇)=6t+(仇一日2)(2-3)由式(2-3)可知相位差也是時(shí)間t的線性函數(shù)，若以=

17、82時(shí)則有：<p(t)=%(t)-%(t)=ei-02(2-4)式(2-4)表明，兩個(gè)同頻率信號(hào)的相位差為常數(shù)，由其初相位角之差確定，即我們通常所說的靜態(tài)相位差。假設(shè)，我們選定一個(gè)信號(hào)為參考信號(hào)，邛=%=華2設(shè)它的初相角為零，如：d=0則u1(t)=Esin(at)(2-5)此代)=Esin(t2)(2-6)由式(2-5)確定的信號(hào)叫做基準(zhǔn)信號(hào)，式(2-6)確定的信號(hào)稱為被測(cè)信號(hào)Ui、U2(t)的相位差：邛=51-平2=華2,負(fù)號(hào)表示叼滯后于邛2或邛2超前于邛1。在實(shí)際測(cè)量中，首先找到基準(zhǔn)信號(hào)Ui(t)過零點(diǎn)時(shí)刻，然后通過判斷此刻被測(cè)信號(hào)U2(t)的幅值，幅值為正，則中2超前于Q,否則為

18、滯后2。電路設(shè)計(jì)原理本次設(shè)計(jì)采用數(shù)字式相位差檢測(cè)和顯示，這樣的方法的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)就是它的干擾力小以及工作穩(wěn)定。如圖2-1所示是設(shè)計(jì)原理框圖，源信號(hào)為一個(gè)正弦波它經(jīng)過由兩級(jí)RC移相器和電壓跟隨器組成的移相電路后，得到一個(gè)移相后的正弦波，兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過整形后輸入雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，獲得源信號(hào)和移相后信號(hào)的相位差信號(hào)，再經(jīng)過由三個(gè)74LS192組成的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，然后通過鎖存器74HC373進(jìn)行鎖存，最終由數(shù)碼管顯示。正弦波T整形電路移相電路y整形電路移相正冢雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器計(jì)數(shù)器標(biāo)頻脈沖鎖存器譯碼器數(shù)碼管顯示圖2-1原理框圖3設(shè)計(jì)與分析移相電路方案分析通常最簡單的模擬電路移相是RC移相和LC移相，我們一般采用的

19、是RC移相電路。如圖3-1所示，是兩個(gè)簡單的RC移相電路RR圖3-1簡單的RC移相值得注意的是：移相電路對(duì)不同頻率信號(hào)，所產(chǎn)生的移相角度是不相同的,所以必須要針對(duì)特定的頻率進(jìn)彳T,本次設(shè)計(jì)選取的頻率是1KHz。圖3-2有源移相電路通常我們將RC與運(yùn)放一起聯(lián)系起來，如圖3-2所示，組成有源的移相電路，是典型的可調(diào)移相電路。它的移相調(diào)節(jié)范圍為0°90°,在本設(shè)計(jì)中R,、R2取10KQ,其傳遞函數(shù)推導(dǎo)如下：U01NrR2jC-1二-Ui2Ui1j&c1-jR3crui1j-R3c(3-1)所以:uo1-jRCA(j，)"U1jR3c(3-2)相頻特性:(j)=-

20、2arctaR3c(3-3)在本次設(shè)計(jì)中，1KHz的正弦波6=2nx103rad/s,C為10nF,R3為可調(diào)范圍為015KQ的滑動(dòng)變阻器。本次采用兩級(jí)RC移相器且為同頻正弦波，所以相位差邛=怛+|中2網(wǎng)。移相電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的移相電路由兩級(jí)RC移相器和電壓跟隨器組成，采用電容濾波的方法。我們一般將RC與運(yùn)放聯(lián)系起來組成有源的移相電路，如圖3-3所示，一級(jí)移相移動(dòng)相位90°,兩級(jí)移相180°。本次設(shè)計(jì)采用兩級(jí)移相，故移相范圍為0°180。XFG2_LR110>kQRB15k口Key=A60%>-7U12ALM324IJVCCR310kQC1=lonFV

21、CCVEELM324NR50VCC10kOJ移相信號(hào)AWlOkO151gKey=AU13A圖3-3移相電路圖檢測(cè)電路方案分析目前測(cè)量相位差的方法有很多種類型，傳統(tǒng)的主要有直接比較法、李沙育圖形法?，F(xiàn)在一般使用過零檢測(cè)法。方案一：直接比較法(3-4)(3-5)(3-6)比較法其測(cè)量原理是將同頻率ui和U2分別直接接到雙蹤示波器的Yi和Y2通道。如圖3-4所示，設(shè)：Ui(t)=UmisintU2(t)=Um2Sin(t-)則相位差計(jì)算公式為：華=360歌燈T=360t-Atc-tAAR或=360ARAC其中，AB：k(tBTa),AC=k(tc'嚴(yán)圖3-4直接測(cè)量法直接比較法的弊端就是誤差

22、大，主要的測(cè)量誤差來源大概包括三種：首先，示波器水平掃描的非線性，即掃描用的鋸齒電壓呈非線性。其次，垂直通道一致性引入附加相位差。最后，人眼讀數(shù)產(chǎn)生的誤差。方案二：李沙育圖形法設(shè)測(cè)量兩個(gè)同頻率的正弦信號(hào)S1、S2的相位差。以S1為x軸，以S2為y軸，作圖。若圖形為一條過零點(diǎn)的線且斜率為1,則相位差為0o若圖形為一條過零點(diǎn)的線且斜率為-1,則相位差為冗。若圖形為橢圓，如3-5所示。設(shè)該橢圓交y軸于點(diǎn)(0,y°),橢圓y向最大坐標(biāo)ym,則相位差為arcsin(y0/ym)。將S1、0圖3-5李沙育圖形法該方法雖然簡單，但是由于是通過人的肉眼來觀察，所以很難以保證其測(cè)量精度，也不能使測(cè)量自

23、動(dòng)化，是不符合現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和需要。方案三：過零檢測(cè)法過零比較法是比較普遍的一種測(cè)量兩信號(hào)間相位差的方法。它主要是分別判斷出兩個(gè)同頻率正弦信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)刻，并且計(jì)算出它們之間的時(shí)間差，然后將這個(gè)時(shí)間轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的時(shí)間差，從而測(cè)出相位60設(shè)Ul(t)為被測(cè)信號(hào)，U2為延時(shí)后的被測(cè)信號(hào)，其表達(dá)式分別是：Ui(t)=UmiSiZ十Q)(3-7)U2(t)=Um2Si誠十92)(3-8)顯然Ui(t)和U2(t)的頻率相同，相位差是一個(gè)與時(shí)間無關(guān)的常數(shù)，At為延時(shí)時(shí)間，T為被測(cè)信號(hào)周期。如圖3-6所示，可以通過以下公式計(jì)算得到U1和U2的相位差日。tcC8=T2n(3-9)式中，出為所測(cè)的兩信號(hào)過零

24、點(diǎn)時(shí)的時(shí)間差70圖3-6信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間差本設(shè)計(jì)使用數(shù)字化檢測(cè)，所以需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣離散化，這樣信號(hào)過零時(shí)間差A(yù)t就會(huì)變?yōu)樾盘?hào)過零點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)數(shù)n0相位差日的計(jì)算公式如下：2n二(3-10)式中，f為采樣頻率；T為周期信號(hào)7。過零檢測(cè)法的特點(diǎn)是電路簡單，且具有測(cè)量分辨率高、線性好以及易于數(shù)字化等特點(diǎn)。上述的三種測(cè)量相位的方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，從測(cè)量范圍、靈敏度、準(zhǔn)確度、頻率特性和諧波的敏感度等技術(shù)指標(biāo)來看，在此次設(shè)計(jì)中將采用過零檢測(cè)法。主要用到的是通過相位差轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖數(shù)進(jìn)行測(cè)量，還易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化。綜合所述，選擇過零檢測(cè)法比較合適。檢測(cè)電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路模塊主要包括整形電

25、路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計(jì)，其中，整形電路采用的是過零比較法將待測(cè)信號(hào)變成矩形波信號(hào)，然后再送到雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行下一步的處理。圖3-7檢測(cè)電路圖本次設(shè)計(jì)針對(duì)兩路信號(hào)采用了施密特觸發(fā)器組成的整形電路，由于施密特觸發(fā)器是在單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入了正反饋網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檎答伒淖饔茫拈T限電壓隨著輸出電壓的變化而變化，從而使施密特觸發(fā)器有兩個(gè)門限電壓，所以可以提高輸入電路的抗干擾能力。為了避免待測(cè)信號(hào)和源信號(hào)在整形電路中產(chǎn)生附加移相或者發(fā)生相對(duì)移相，必須保證兩個(gè)施密特觸發(fā)器的兩個(gè)門限電平對(duì)應(yīng)相等，這可以通過調(diào)節(jié)電位器來實(shí)現(xiàn)，這樣即使發(fā)生移相也能保證二者的相對(duì)移相為0,最后經(jīng)過雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，得到相位差信

26、號(hào)。如圖3-7所示，其中，U1、U2分別是源信號(hào)和待測(cè)信號(hào)；U3、U4分別是經(jīng)過過零比較整形后的兩路矩形波信號(hào)8。相位差檢測(cè)波形圖如圖3-8所示，兩個(gè)輸入信號(hào)分別為U1和U2,所得的輸出波形為Q,其寬度即源信號(hào)的過零點(diǎn)與測(cè)量信號(hào)的過零點(diǎn)之間的時(shí)間差。U1U2U3U4Q圖3-8相位差檢測(cè)波形圖LM339特性分析LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：(1)失調(diào)電壓小，典型值為2mV;(2)電源電壓范圍寬。單電源為236V,雙電源電壓為±1V±18V;(3)對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；(4)共模范圍很大，為0(Vcc-1.5V)Vo；(5)差動(dòng)輸入電

27、壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；(6)輸入端電位可靈活方便地選用。LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用”+表示，另一個(gè)稱為反相輸入端,用產(chǎn)表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓，另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)、端電壓高于產(chǎn)端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)了端電壓高于“+端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)。GtSFR1砥1冏所1府1府1FilLULULULLILULULU圖3-9LM339外型及管腳排列圖LM

28、339集成塊采用C-14型封裝，圖3-9所示，為外形及管腳排列圖。LM339相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體管三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般需接一只電阻。選用不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。所以要加上上拉電阻才能保證有高電平輸出，本次設(shè)計(jì)采用的是10KQ上拉電阻9。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在相位差測(cè)量電路中起到測(cè)量時(shí)間差的作用，在這里我們選用白是74LS74芯片，74LS74芯片是一個(gè)邊沿觸發(fā)器數(shù)字電路器件，每個(gè)器件中包含兩個(gè)相同的、相互獨(dú)立的邊沿觸發(fā)D觸發(fā)器電路10o74LS74弓|腳圖如圖3-10所示：J7

29、T|岡或網(wǎng)|T'毗赤契ZCPzSjZQ2Q）74LS74I而IDCP15bI。100_H_H_EEffl12-9圖3-1074LS74引腳圖74LS74的弓|腳功能:Q1、Q2、Q1、Q2：數(shù)據(jù)輸出端CP1、CP2：時(shí)鐘輸入端D1、D2:數(shù)據(jù)輸入端CLR1CLR2:直接復(fù)位端（低電平有效）PR1、PR2:直接置位端（低電平有效）74LS74芯片的邏輯圖如圖3-11所示:-D§Dq5CPCdQA6Y110工12口'口0911CP13圖3-1174LS74邏輯圖74LS74的輸出輸入波形圖如圖3-12所示，假設(shè)輸入分別為A、B兩個(gè)信號(hào)圖3-1274LS74輸出輸入波形圖計(jì)

30、數(shù)顯示電路方案分析計(jì)數(shù)顯示電路是基于時(shí)間間隔測(cè)量法來設(shè)計(jì)，將相位差轉(zhuǎn)換成時(shí)間間隔At,然后根據(jù)計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量其時(shí)間問隔，然后再用計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖頻率乘以3603,則最終數(shù)碼管顯示的值即以度為單位的相位差值。其計(jì)算公式如下：日=-x660=n-x360(3-11)Tfo式中，n為在與時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)；f為被測(cè)信號(hào)頻率；fo為時(shí)標(biāo)信號(hào)頻率11。如若在1s內(nèi)讓計(jì)數(shù)器連續(xù)計(jì)數(shù)，即在1s內(nèi)有f個(gè)門控信號(hào)，則其一共計(jì)數(shù)為n1=fxn,所以口=fMn=/-xf0,WJ9=隨乂小。通過上式我們可以看13600f01出，當(dāng)時(shí)標(biāo)頻率f0取360KHz時(shí)，代入可得：日二迪父二仙。360由此可見，在時(shí)標(biāo)頻

31、率f0取360KHz前提下，計(jì)數(shù)器在1s內(nèi)脈沖的累計(jì)數(shù)就是以度為單位的兩個(gè)被測(cè)信號(hào)的相位差，這為本次設(shè)計(jì)帶來了簡便。計(jì)數(shù)顯示電路設(shè)計(jì)本次顯示電路采用的是數(shù)字檢測(cè)和數(shù)碼管顯示被檢測(cè)信號(hào)相位差，如圖3-13所示，在本設(shè)計(jì)中我們首先使用74LS192作為計(jì)數(shù)器來計(jì)數(shù)，捕獲單元實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，然后使用74HC373作為鎖存器將相位差數(shù)值鎖定，最后通過數(shù)據(jù)后期處理后由3個(gè)共陰極數(shù)碼管顯示出來11。LHlU1EA04圓工收項(xiàng)回WIB裝工需盤川聞WYSE留一相位差信號(hào)wIDg鼻之翼再算yk/pk"wlplgapgW4M-.iaia-174MC373.DV/_JV圖3-13計(jì)數(shù)顯示電路圖數(shù)碼管工

32、作原理為了能以十進(jìn)制數(shù)碼管直觀地顯示數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，目前最廣泛使用了七段數(shù)碼管，這種數(shù)碼管是由七段可發(fā)光的線段拼合而成的。常見的七段數(shù)碼管有半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器等。如下圖3-14所示為半導(dǎo)體數(shù)碼管的外形圖，這種數(shù)碼管的每個(gè)線段是一個(gè)發(fā)光的二極管。從各發(fā)光電極連接方式分有共陽極和共陰極兩種，如圖3-15所小0gfCNDab數(shù)碼管外形圖圖3-14+5VMH畀HMHH圖3-15數(shù)碼管共陰極和共陽極數(shù)碼管顯示字型碼如表3-1所示，本次設(shè)計(jì)采用的是共陰極數(shù)碼管表3-1數(shù)碼管顯示字型碼03FHC0H106HF9H25BHA4H34FHB0H466H99H56DH92H67DH82H707HF8H8

33、7FH80H96FH90H4仿真與調(diào)試本設(shè)計(jì)使用軟件Multisim進(jìn)行仿真，畫出電路圖，通過調(diào)節(jié)變阻器R5、R8來改變移相電路的相位。如圖4-1所示，所得到的源信號(hào)和移相信號(hào)的波形圖。源信號(hào)的頻率和移相信號(hào)的頻率都為1KHz,相位較源信號(hào)滯后，此時(shí)滑動(dòng)變阻器R5、R8都取7.5KQ。圖4-2為兩個(gè)D觸發(fā)器將兩個(gè)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為的方波信號(hào)，我們可以通過圖大概可以看出T2-丁1=284.091%,與圖4-1數(shù)據(jù)一致。經(jīng)過相位差公式3-10可計(jì)算出相位差約為102。，由圖4-3是經(jīng)過數(shù)碼管顯示出的相位差，其顯示數(shù)據(jù)為101°,與通過計(jì)算出的相位差相比較，可以看出數(shù)據(jù)非常的接近，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)

34、期目標(biāo)。圖4-1信號(hào)波形圖圖4-2相位差波形U3U1QU11圖4-3數(shù)碼管顯示5實(shí)驗(yàn)分析本次電路設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)中使用了很多芯片，但是電路相對(duì)簡單，最后相位差數(shù)值采用數(shù)碼管顯示，具優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，數(shù)值精確。但在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)一些缺點(diǎn)，也是不可避免的問題，就是反應(yīng)速度慢。如下表5-1所示，列出了通過調(diào)節(jié)變阻器R5、R8所得的相位測(cè)量數(shù)據(jù)，并計(jì)算了相對(duì)誤差。根據(jù)公式|中（j朝=-2arctanoR3c和邛=愜儂）+/2（缶）可以計(jì)算出相位差的實(shí)際值，如R5、R8分別取60%時(shí)，即數(shù)值為9KQ,代入公式可得平=117.9°。同理，其他數(shù)據(jù)根據(jù)公式計(jì)算其實(shí)際值。相對(duì)誤差=（讀數(shù)值

35、-實(shí)際值）/實(shí)際值表5-1誤差分析參數(shù)123456R3(15K)20%30%45%60%80%100%R6(15K)20%30%45%60%80%100%實(shí)際值42.763.191.9117.9148.0173.2讀數(shù)值4363921181481730.70%-0.16%0.11%0.09%0%-0.12%通過分析上面表格數(shù)據(jù)可以看出，本次設(shè)計(jì)的相位差測(cè)量電路最大的相對(duì)誤差為0.70%,最小近似于0%。所以該電路的精度基本符合設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際電路中，有電路損耗，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來影響。比如移相電路，它的原理是利用了元件兩端電壓與流過它的電流間的相位關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中我們所使用的電感器和電容器都有損耗電阻。主要來自電感器的損耗電阻的影響，因?yàn)橐话汶娙萜鞯膿p耗電阻很小，可以不用考慮在內(nèi)。我們測(cè)量到的電感器兩端的電壓