數(shù)字式相位差測量儀

1、數(shù)字式相位差測量儀作者：江漢大學(xué)物理與信息，秦工摘 要：介紹一種基于 PLD 和 PLL 的數(shù)字相位差測量儀的工作原理以及硬件電路組成。：數(shù)字；相位差；PLD；PLL在電工儀表、同步檢測的數(shù)據(jù)處理以及電工實(shí)驗(yàn)中，常常需要測量兩列同頻信號的相位差。例如，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時，要求兩電網(wǎng)的電信號之間的相位相同，這需要精確測量兩列工頻信號的相位差。相位測量的方法很多，典型的傳統(tǒng)方法是通過顯示器觀測，這種方法誤差較大，讀數(shù)不方便。為此，輯器件(PLD)和鎖相環(huán)(PLL)倍頻電路為設(shè)計一種數(shù)字式相位差測量儀，該儀以可編程邏，實(shí)現(xiàn)了兩列信號相位差的自動測量及數(shù)顯。測量的分辨率可根據(jù)需要選擇 0.1或

2、1，當(dāng)選擇 0.1時，可測信號的頻率范圍為 1Hz10kHz，當(dāng)選擇 1時，可測信號的頻率范圍為 1Hz100kHz。1、 工作原理相位差測量儀的原理框圖(以分辨率為 0.1為例)如圖 1 所示?；鶞?zhǔn)信號(相位基準(zhǔn))fR經(jīng)放大整形后加到鎖相環(huán)的輸入端，在鎖相環(huán)的反饋環(huán)路中設(shè)置一個 N=3600 的分頻器，使鎖相環(huán)的輸出信號頻率為 3600fR，但相位與 fR 相同，這個輸出信號被用作計數(shù)器的計數(shù)時鐘。被測信號 fS 經(jīng)放大整形再 2 分頻后得到的 fS2 與 fR2 送入由異或門組成的相位比較電路，其輸出脈沖 A 的脈寬 tp 反映了兩列信號的相位差；利用這個信號作為計數(shù)器的閘門控制信號，使計

3、數(shù)器僅在 fR 與 fS 的相位差 tp 內(nèi)計數(shù)，這樣計數(shù)器計得的數(shù)即為 fR 與 fS 之間的相位差。由于計數(shù)時鐘頻率為 3600fR，因此，一個計數(shù)脈沖對應(yīng) 0.1。計數(shù)的值經(jīng)鎖存譯碼后通過 LED 數(shù)碼管顯示。這種測量方法可以從波形圖圖 2 得到理解和說明。圖中 D 觸發(fā)器用于判斷 fR 與 fS 的相位關(guān)系，當(dāng) Q 為 1 時，fR 超前于 fS，相位取正值，符號位數(shù)碼管顯示全黑；當(dāng) Q 為 0 時，fR 滯后于fS，相位取負(fù)值，符號位數(shù)碼管顯示“-”。12、 前置電路設(shè)計與分析(1) 放大整形電路：在相位差測量過程中，不允許信號在放大整形電路中發(fā)生相對相移。為了使信號在測量電路中引起

4、的附加相移是相同的，圖 1 中A1 和A2 安排了相同的電路。如圖 3 所示，第一級運(yùn)放將輸入信號放大 10 倍，第二級運(yùn)放用作比較器，經(jīng) 3.3k 的限流電阻和 DZ 組成的限幅電路以及二極管 D 和 7414 整形后，使其轉(zhuǎn)換成 TTL 電平的信號。(2) 鎖相倍頻電路： 設(shè)被測信號的最高工作頻率為 10kHz，測量的分辨率取 0.1，3600倍頻后信號的頻率為 36MHz，故可選擇最高工作頻率為 40MHz 的鎖相環(huán) 74HC4046。當(dāng)分頻系數(shù) N 取 360 時，同理，測量的分辨率為 1，可測信號的最高工作頻率可取100kHz。3600 或 360 分頻器由一片可編程器件 GAL16

5、V8 來完成，這樣電路結(jié)構(gòu)更加簡化。由開關(guān) K 控制，當(dāng)?shù)?9 腳為時 N=3600；為低電平時 N=360，電路如圖 4 所示。為了使 fR 在 1Hz100kHz 時鎖相環(huán)工作穩(wěn)定，線性良好，入鎖時間快，電阻電容參數(shù)選擇見圖 4 所標(biāo)的值。3、 計數(shù)器及數(shù)顯部分計數(shù)器及數(shù)顯部分由可編程器件和 5 個 7LED 數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，電路如圖 5 所示。數(shù)碼管最LED5 為相位超前滯后顯示位，低 4 位數(shù)碼管顯示相位差的值。計數(shù)器、鎖存及譯碼電路由可編程器件完成。選用 MaX7000 系列的最高工作時鐘為 76MHz 的 EPM7064LC77，程序用 Verilong HDL 語言編寫。計數(shù)鎖存部分程序如