基于集成運(yùn)放的相位差檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)名稱：電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目：基于集成運(yùn)放的相位差檢測(cè)電路設(shè)計(jì)學(xué)期：2016-2017學(xué)年第2學(xué)期專業(yè)：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)該項(xiàng)成績(jī)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)2.3正確使用文獻(xiàn)分析復(fù)雜電氣工程問題，并獲得有效結(jié)論參數(shù)計(jì)算及單

元電路的正確性設(shè)計(jì)內(nèi)容的合理性結(jié)果評(píng)價(jià)畢業(yè)要求指標(biāo)3.3掌握電氣工程領(lǐng)域的基本創(chuàng)新方法，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)設(shè)計(jì)方案的可行性設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性創(chuàng)新意識(shí)畢業(yè)要求指標(biāo)：4.3能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)默F(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，解決包括預(yù)測(cè)與模擬在內(nèi)的復(fù)雜電氣工程問題，并能夠理解其局限性。仿真或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證技術(shù)指標(biāo)或性能結(jié)果的正確性畢業(yè)要求指標(biāo)：6.3理解工程倫理的核心理念，了解電氣工程師的職業(yè)性質(zhì)和責(zé)任，在工程實(shí)踐中能自覺遵守職業(yè)道德和規(guī)范，具有法律意識(shí)設(shè)計(jì)態(tài)度與進(jìn)度設(shè)計(jì)報(bào)告圖表設(shè)計(jì)內(nèi)容與文字表達(dá)設(shè)計(jì)報(bào)告格式與完整性總得分標(biāo)準(zhǔn)說明：以上13個(gè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)5分，總分65分。得分40分以上視為總成績(jī)合格。總成績(jī)?nèi)掌谀暝氯杖蝿?wù)書設(shè)計(jì)題目基于集成運(yùn)放的相位差檢測(cè)電路設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)1實(shí)現(xiàn)低頻交流電相位差的檢測(cè)；2顯示測(cè)得的相位值。三、設(shè)計(jì)計(jì)劃電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)共1周。第1天：方案分析比較，確定設(shè)計(jì)方案；第2天：?jiǎn)卧娐吩O(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)電路仿真；第3天：錄入文字第4天：繪制總體電路圖；第5天：排版。四、設(shè)計(jì)要求1.畫出整體電路圖。2.寫出設(shè)計(jì)說明書。3.實(shí)現(xiàn)電路仿真。指導(dǎo)教師：時(shí)間：2017年6月23日摘要本課程設(shè)計(jì)主要要求是設(shè)計(jì)一個(gè)基于集成運(yùn)放的相位差檢測(cè)電路。整流濾波電路是提供直流電源的。首先，要把信號(hào)源進(jìn)行移相，用到RC移相電路，配合上集成運(yùn)放，然后同時(shí)把移相之前的信號(hào)源和移相之后的信號(hào)源給兩個(gè)過零比較器，結(jié)果輸出的不是高電平就是低電平，完成了對(duì)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)的任務(wù)。他們先異或，接著通過和一個(gè)來自555定時(shí)器的信號(hào)進(jìn)行與邏輯，然后給在和計(jì)數(shù)器的clk端進(jìn)行與邏輯，完成對(duì)周期長(zhǎng)度和計(jì)時(shí)器的控制，達(dá)到采樣的目的，最后數(shù)碼管顯示相位差。完成了相位差檢測(cè)的功能。目錄1、綜述2、原理及技術(shù)指標(biāo)3、單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算3.1整流濾波電路3.2RC移相電路3.3555定時(shí)器電路3.4計(jì)數(shù)器顯示部分3.5參數(shù)計(jì)算4、仿真5、設(shè)計(jì)比較6、結(jié)論7、設(shè)計(jì)體會(huì)參考文獻(xiàn)

1綜述振幅、頻率和相位是描述正弦交流電的三個(gè)“要素”。以電壓為例，其函數(shù)關(guān)系為u=Umsin(ωt+φ0)式中：Um為電壓的振幅；ω為角頻率；φ0為初相位。設(shè)φ=ωt+φ0,稱為瞬時(shí)相位，它隨時(shí)間改變，φ0是t=0時(shí)刻的瞬時(shí)相位值。兩個(gè)角頻率為ω1，ω2的正弦電壓分別為u1=Um1sin(ω1t+φ1)u2=Um2sin(ω2t+φ2)它們的瞬時(shí)相位差為 Θ=(ω1t+φ1)-(ω2t+φ2)=(ω1-ω2)t+(φ1-φ2)顯然，兩個(gè)角頻率不相等的正弦電壓（或者電流）之間的瞬時(shí)相位差是時(shí)間t的函數(shù)，它隨時(shí)間改變而改變。當(dāng)兩正弦電壓的角頻率ω1=ω2=ω時(shí)，有Θ=φ1-φ2由此可見，兩個(gè)頻率相同的正弦量間的相位差是常數(shù)，等于兩正弦量的初相位之差。在實(shí)際的工作之中，經(jīng)常需要研究諸如放大器、濾波器等各種器件的頻率特性，即輸出、輸入信號(hào)間的幅度比隨頻率的變化（幅頻特性）和輸出、輸入信號(hào)間的相位差隨頻率的變化關(guān)系（相頻特性）。尤其在圖像信號(hào)傳輸與處理、多元信號(hào)的相干特性顯得更為重要。相位差的測(cè)量是研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中必不可少的重要方面，如何使相位差的測(cè)量快速、精確已成為生產(chǎn)科研中重要的研究課題。測(cè)量相位差的方法很多，主要有：用示波器測(cè)量；把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔，先測(cè)量出時(shí)間間隔，再換算為相位差；把相位差轉(zhuǎn)換為電壓，先測(cè)量出電壓，再換算為相位差；與標(biāo)準(zhǔn)移相器進(jìn)行比較的比較法（零示法）等。在測(cè)量相位差中主要有四種方法，即用示波器測(cè)量相位差、相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量、相位差轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行測(cè)量、零示法測(cè)量相位差。2原理及技術(shù)指南圖一是相位差檢測(cè)電路原理圖。要測(cè)量相位差,就得需要測(cè)出兩個(gè)同相位時(shí)間的差值,進(jìn)而通過轉(zhuǎn)換,最終求出相位差.。所以就需要測(cè)出這段時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)有個(gè)明顯的特點(diǎn)，就是一個(gè)為正，一個(gè)為負(fù)，首先，要把信號(hào)源進(jìn)行移相，用到RC移相電路，配合上集成運(yùn)放，然后同時(shí)把移相之前的信號(hào)源和移相之后的信號(hào)源給兩個(gè)過零比較器，結(jié)果輸出的不是高電平就是低電平，完成了對(duì)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)的任務(wù)。接著通過和一個(gè)來自555定時(shí)器的信號(hào)進(jìn)行與邏輯，然后給在和計(jì)數(shù)器的clk端進(jìn)行與邏輯，完成對(duì)周期長(zhǎng)度和計(jì)時(shí)器的控制，達(dá)到采樣的目的，最后數(shù)碼管顯示相位差。。完成了相位差檢測(cè)的功能。過零比較過零比較與計(jì)數(shù)器clk與，顯示管顯示相位差與計(jì)數(shù)器clk與，顯示管顯示相位差和555計(jì)時(shí)器與，控制脈沖寬度信號(hào)1異或門異或門過零比較過零比較信號(hào)2信號(hào)2圖1相位差測(cè)量電路原理框圖3單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算該電路主要由四個(gè)部分組成。3.1整流濾波電路：該部分選用單向橋式整流及電容濾波電路，由220V交流電壓經(jīng)變壓器降壓，D3-D6橋式整流濾波電路輸出電壓12V供芯片回路用。圖2，圖3是濾波器的組成部分。圖2圖3圖2圖3閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)，可以把它中間的NP分成兩部分，構(gòu)成一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管的復(fù)合管，如圖3-3圖3-3圖3-3當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時(shí)，為使晶閘管導(dǎo)通，必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。圖2中每個(gè)晶體管的集電極電流同時(shí)就是另一個(gè)晶體管的基極電流。因此，兩個(gè)互相復(fù)合的晶體管電路，當(dāng)有足夠的門極電流Ig流入時(shí)，就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導(dǎo)通，晶體管飽和導(dǎo)通。設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流相應(yīng)為Ic1和Ic2；發(fā)射極電流相應(yīng)為Ia和Ik；電流放大系數(shù)相應(yīng)為a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，設(shè)流過J2結(jié)的反相漏電電流為Ic0,晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和：Ia=Ic1+Ic2+Ic0或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0若門極電流為Ig，則晶閘管陰極電流為Ik=Ia+Ig從而可以得出晶閘管陽極電流為：I=(Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））（1—1）式硅PNP管和硅NPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)a1和a2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化如圖3所示。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未受電壓的情況下，式（1—1）中，Ig=0,(a1+a2）很小，故晶閘管的陽極電流Ia≈Ic0晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管在正向陽極電壓下，從門極G流入電流Ig，由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，從而提高其電流放大系數(shù)a2，產(chǎn)生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發(fā)射結(jié)，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)a1，產(chǎn)生更大的極電極電流Ic1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)。這樣強(qiáng)烈的正反饋過程迅速進(jìn)行。從圖3，當(dāng)a1和a2隨發(fā)射極電流增加而（a1+a2）≈1時(shí)，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0，因此提高了晶閘管的陽極電流Ia.這時(shí)，流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定。晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。式（1—1）中，在晶閘管導(dǎo)通后，1-（a1+a2）≈0，即使此時(shí)門極電流Ig=0，晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導(dǎo)通。晶閘管在導(dǎo)通后，門極已失去作用。在晶閘管導(dǎo)通后，如果不斷的減小電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時(shí)，由于a1和a1迅速下降，當(dāng)1-（a1+a2）≈0時(shí)，晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)。3.2RC移相電路：鑒于電路中的電容和電感均有移相功能,電容的端電壓落后于電流900,電感的端電壓超前于電流900,這就是電容電感移相的結(jié)果。先說電容移相,電容一通電,電路就給電容充電,一開始瞬間充電的電流為最大值,電壓趨于0,隨著電容充電量增加,電流漸而變小,電壓漸而增加,至電容充電結(jié)束時(shí),電容充電電流趨于0,電容端電壓為電路的最大值,這樣就完成了一個(gè)充電周期,如果取電容的端電壓作為輸出,即可得到一個(gè)滯后于電流900的稱移相電壓;電感因?yàn)橛凶愿凶詣?dòng)勢(shì)總是阻礙電路中變量變化的特性,移相情形正好與電容相反,一接通電路,一個(gè)周期開始時(shí)電感端電壓最大,電流最小,一個(gè)周期結(jié)束時(shí),端電壓最小,電流量大,得到的是一個(gè)電壓超前900的移相效果;這里說滯后或超前900,只是對(duì)純電容純電感而言,實(shí)際應(yīng)用中是沒有純電容或純時(shí)感的,所以,一個(gè)電容或電感的移相效果不可能正好達(dá)到滯后或超前900。下面是最簡(jiǎn)單的RC移相電路。圖5RC移相電路輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之間的相位差Θ隨可調(diào)節(jié)電阻R的改變而改變。當(dāng)R由0→∞時(shí)，移相電路輸入電壓Ui和輸出電壓Uo的移相范圍可由上向量圖看出是0~900。本課程設(shè)計(jì)中的移相電路是以集成運(yùn)算放大器、電阻、電容器件，通過合理的組合來實(shí)現(xiàn)相位波形的移相電路。電路如圖圖6所示，圖中U4A和U5A是0~900的移相放大器，兩極移相放大器可以完成0~1800的移相。第一級(jí)由U4A組成的移相濾波電路又被叫作全通濾波器，能通過所有的頻率的信號(hào)，電路增益幅度為常數(shù)，僅相位是頻率的函數(shù)。圖6移相電路第二級(jí)由U5A組成的移相電路與第一級(jí)移相電路的原理完全相同。3.3555定時(shí)器電路：該電路的主要作用是采集信號(hào)，當(dāng)繼電器控制的開關(guān)斷開時(shí)，電源隨即給電容C充電，沒有沖到三分之二VCC之前，555定時(shí)器輸出高電平。當(dāng)沖到三分之二VCC時(shí)，輸出低電平。所以就可以根據(jù)這段時(shí)間，進(jìn)行脈沖的采樣。連接圖如圖7所示.圖7下面介紹下555定時(shí)器-2/555定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng)5腳懸空時(shí)，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為2VCC/3，C2的反相輸入端的電壓為VCC/3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC/3，則比較器C2的輸出為0，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3，同時(shí)TR端的電壓大于VCC/3，則C1的輸出為0，C2的輸出為1，可將RS觸發(fā)器置0，使輸出為低電平。它的各個(gè)引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發(fā)端TR。3腳：輸出端Vo4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。6腳：高觸發(fā)端TH。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5~16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3~18V。一般用5V。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為低電平的情況下，555時(shí)基電路的功能表如表3-1示。表3-1表3-1555定時(shí)器的功能表清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端TRv0放電管T(V)功能0××0導(dǎo)通直接清零101x保持上一狀態(tài)保持上一狀態(tài)1101截止置11001截止置11110導(dǎo)通清零3.4計(jì)數(shù)器顯示部分：計(jì)數(shù)器部分由3個(gè)74ls190十位同步可逆計(jì)數(shù)器,脈沖由脈沖源和來自控制端的信號(hào)進(jìn)行與邏輯而成。三個(gè)芯片輸出端分別接三個(gè)顯示器，顯示相位差數(shù)值。如下圖8所示圖八3.5參數(shù)計(jì)算555計(jì)時(shí)器部分充電時(shí)間所以R取1，C取0.009F。計(jì)數(shù)器顯示部分clk脈沖信號(hào)頻率計(jì)算參數(shù)符合題目要求4仿真直流電源仿真圖4-1整流電路圖4-1整流電路圖4-2555定