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一．設(shè)計(jì)任務(wù) （1）兩個(gè)工頻電壓信號(hào)可以通過(guò)RC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)電阻R的值可以改變兩信號(hào)的相位差 （2）兩輸入正弦信號(hào)的輸入幅值的變化范圍10~100mV。 （3）兩個(gè)信號(hào)的相位差采用數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字顯示。 （4）相位差的數(shù)字顯示分辨率要求0.1℃。 （5）具有量輸入信號(hào)的“超前”和“滯后”判別功能。 二．設(shè)計(jì)方案分析 相位差是工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域經(jīng)常需要測(cè)量的參數(shù)，如電力系統(tǒng)中功率因數(shù)的測(cè)量、鐵路系統(tǒng)中相敏軌道電路相位差的測(cè)量以及科氏質(zhì)量流量計(jì)中的相位差測(cè)量等等。而相位差的測(cè)量又不同于傳統(tǒng)的電壓、電流信號(hào)或物位、溫度量的測(cè)量。首先，相位差信號(hào)依附于電壓、電流信號(hào)中，如何剔除電壓、電流、頻率變化對(duì)相位差測(cè)量的影響是相位差測(cè)量中很重要的一個(gè)方面;其次,相位差是一個(gè)比較量,測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)之間的相位差不僅需要保證兩路信號(hào)的頻率相同,而且要排除由于兩路信號(hào)的幅值等其它因素不一致而對(duì)測(cè)量造成的影響。因此,如何準(zhǔn)確可靠地測(cè)量相位差是值得研究的課題。 通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)，一些常用的方法如下圖所示 由于本設(shè)計(jì)是測(cè)量工頻信號(hào)（50Hz）的相位差，考慮到設(shè)計(jì)電路的經(jīng)濟(jì)性等，故選擇基于過(guò)零檢測(cè)方法中的基于異或門的測(cè)量方法中的電壓測(cè)量法來(lái)測(cè)量電路即可。其常用兩種方法原理如下： 1．相位瞬時(shí)測(cè)量原理 首先將兩同頻率的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整形變換成同頻率的方波信號(hào)；兩方波信號(hào)經(jīng)鑒相電路，輸出脈沖的寬度正比于信號(hào)的相位差；鑒相器的輸出控制一閘門，在兩信號(hào)相位差時(shí)間內(nèi)，閘門打開，頻率為f0的標(biāo)準(zhǔn)脈沖進(jìn)入到計(jì)數(shù)器，則計(jì)數(shù)器的輸出正比于兩信號(hào)的相位差。各點(diǎn)的工作波形圖如下圖所示。設(shè)兩信號(hào)的過(guò)零時(shí)刻之間的時(shí)間差為Tx，在Tx時(shí)間內(nèi)通過(guò)的脈沖個(gè)數(shù)為N0，所以 ，式中T0為計(jì)數(shù)脈沖的周期。設(shè)被測(cè)信號(hào)的頻率為f，兩信號(hào)的相位差為 ，則 ，顯然等式左邊就是兩信號(hào)的相位差： ，可見(jiàn)信號(hào)的相位差正比于計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)。但是該表達(dá)式信號(hào)的相位差還和被測(cè)信號(hào)的頻率有關(guān)，所以不能直接測(cè)量出信號(hào)的相位差。故該方法適合于測(cè)量固定頻率信號(hào)的相位差，不適合于測(cè)量?jī)尚盘?hào)頻率變化的情況。 相位瞬時(shí)測(cè)量原理框圖 瞬時(shí)相位測(cè)量工作波形 2．相位平均值測(cè)量原理 為了消除被測(cè)信號(hào)頻率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，可以采用測(cè)量信號(hào)相位差平均值的方法實(shí)現(xiàn)，其工作原理如下圖所示。該原理圖只是增加了第二個(gè)閘門和分頻器兩部分，分頻器的作用是產(chǎn)生一個(gè)控制第二個(gè)閘門開通的時(shí)間T2，T2=αT0，其中α是分頻系數(shù)，另外要求T2遠(yuǎn)大于被測(cè)信號(hào)的周期T�？梢�(jiàn)在T2開啟第二個(gè)閘門開通的時(shí)間里，有許多組脈沖通過(guò)第二個(gè)閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器，每組脈沖的個(gè)數(shù)為N0。因此進(jìn)入計(jì)數(shù)器總的脈沖個(gè)數(shù)為： 。又因?yàn)?img id="aimg_a3mY4" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="177" height="45" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/e/205/205.009.jpg" border="0" alt="" />，所以 。 其中α是常數(shù)�？梢�(jiàn)，無(wú)論測(cè)量什么頻率的信號(hào)，兩信號(hào)的相位差總是與計(jì)數(shù)器所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)成正比，與信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)。 相位平均測(cè)量原理框圖 本題目明確了是兩個(gè)頻率為50hz的工頻信號(hào)，因此選用相位瞬時(shí)測(cè)量。為了能夠正確顯示兩信號(hào)相位差的大小，實(shí)際電路中還應(yīng)有控制邏輯電路，其目的是順序產(chǎn)生“測(cè)量→鎖存→清零”工作時(shí)序信號(hào)，保證系統(tǒng)的正常工作。 三．測(cè)試方案分析 受限于軟件模擬及計(jì)算機(jī)性能，本設(shè)計(jì)采用分模塊調(diào)試驗(yàn)證，然后用示波器測(cè)出每一分模塊的輸出，用函數(shù)發(fā)生器加到下一模塊的輸入 四．單元電路設(shè)計(jì)、邏輯控制電路設(shè)計(jì) 1.放大整流及鑒相電路 這里設(shè)定可調(diào)R2為50kΩ×0.2=10 kΩ，通過(guò)理論計(jì)算可得 相位差?φ=arctan（2π×50× × ）=72.3°   分別是信號(hào)源和電容兩端電壓，由示波器波形可知 均通過(guò)比較器lm393獲得良好整形，ch3是通過(guò)74ls86鑒相所得波形，由示波器可知其頻率為100hz，占空比為40%，且經(jīng)1n4148反向限幅使得送入74ls86的反向電壓近似為0，能正常工作2. 相位超前/滯后判別電路 Part1： CLK端接，D端接，所得理論曲線如下圖。   實(shí)驗(yàn)與理論吻合Part2： D端接，clk端接，所得理論曲線如下圖。   實(shí)驗(yàn)與理論吻合3.邏輯控制電路 在鑒相脈沖信號(hào)作用下，如果要完成計(jì)時(shí)，就要產(chǎn)生一個(gè)控制脈沖計(jì)數(shù)器電路的計(jì)數(shù)信號(hào)K1和控制脈沖計(jì)數(shù)器清零信號(hào)K2。為了能夠清晰的顯示信號(hào)相位差的值，要求控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間為1個(gè)鑒相脈沖的周期，保持（鎖存）計(jì)數(shù)器的時(shí)間為8個(gè)信號(hào)的周期，對(duì)計(jì)數(shù)器清零的時(shí)間為1個(gè)信號(hào)周期，實(shí)現(xiàn)上述功能需要一個(gè)至少模為10的計(jì)數(shù)器，本實(shí)驗(yàn)采用74LS160完成，計(jì)數(shù)器在“0000”狀態(tài)時(shí)輸出給“相位差計(jì)數(shù)器”輸出一個(gè)清零信號(hào)，該信號(hào)可以采用74LS160的進(jìn)位信號(hào)Co；當(dāng)計(jì)數(shù)器在“0001”狀態(tài)時(shí)，使“相位差計(jì)數(shù)器”開始計(jì)數(shù)；在計(jì)數(shù)器從“0010~1001”狀態(tài)時(shí)，“相位差計(jì)數(shù)器”處于保持狀態(tài)。電路原理圖如下圖所示。 4. 時(shí)基脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路 鑒相電路為頻率為100hz，周期為10ms，精度為0.1°所以要求時(shí)基脈沖能在10ms內(nèi)產(chǎn)生最大180°相移角測(cè)量，即1800個(gè)周期。所以時(shí)基脈沖的周期為1/180 ms，頻率為180khz 利用74ls14如圖連接成多諧振蕩器，調(diào)節(jié)可變電阻R2的阻值，得到180khz的時(shí)基脈沖。 5. 脈沖計(jì)數(shù)及相位差顯示電路 本實(shí)驗(yàn)要求精度為0.1°，兩信號(hào)最大相位差是180°（本實(shí)驗(yàn)移相電路僅能達(dá)90°），故最大顯示數(shù)應(yīng)為1800，本實(shí)驗(yàn)采用由四片74LS160級(jí)聯(lián)構(gòu)成的模10000的計(jì)數(shù)器。當(dāng)K1信號(hào)為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，K1為低電平（在K2為1時(shí)），計(jì)數(shù)器保持不變；只要K2輸出低電平，計(jì)數(shù)器立即被清零。計(jì)數(shù)器的數(shù)值通過(guò)顯示譯碼器直接在LED顯示，其顯示的值即為被測(cè)兩信號(hào)的相位差大小。其原理圖如下所示。 其中xfg2模擬的為第一步鑒相電路輸出的鑒相脈沖，xfg1模擬的是第四步時(shí)基脈沖產(chǎn)生的時(shí)基脈沖，其測(cè)量結(jié)果如晶體管所示，為72.0°在誤差允許范圍內(nèi)。 五．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 實(shí)驗(yàn)另多組數(shù)據(jù)如下表所示
因信號(hào)經(jīng)放大10倍后才進(jìn)行整流鑒相，所以100mv與10mv僅有占空比小數(shù)位數(shù)差距，可以看出100mv比10mv更為精確一些，因波形發(fā)生器模擬鑒相電路時(shí)占空比小數(shù)位數(shù)不可調(diào)，便未記錄。從表中可以看出理論和實(shí)際誤差相當(dāng)小，所以測(cè)量結(jié)果近似是正確的。
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