相位差測(cè)量電路設(shè)計(jì)

1、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(jī)： 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 日目 錄摘要1英文摘要.21 緒論21.1 研究背景及意義31.2 發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)31.2.1 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r31.2.2

2、 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r41.2.3 發(fā)展趨勢(shì)52 相位差測(cè)量的基本原理52.1 相位的基本概念52.2 相位差測(cè)量原理52.3 電路設(shè)計(jì)原理63 設(shè)計(jì)與分析63.1 移相電路63.1.1 方案分析63.1.2 移相電路設(shè)計(jì)83.2 檢測(cè)電路83.2.1 方案分析83.2.2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)113.2.3 LM339特性分析123.2.4 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器133.3 計(jì)數(shù)顯示電路143.3.1 方案分析143.3.2 計(jì)數(shù)顯示電路設(shè)計(jì)143.3.3 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)20參考文獻(xiàn)21致謝22附錄23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

3、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)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)

4、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)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，Design of Circuit in Phase Difference Measurement （College of mechanical and electrical engineering, Huangshan University, 245021） Abstrac

5、t：With the development of computer and electronic technology, the phase difference measurement technology, as a common signal measurement technology, has been rapid development and has become an indispensable part of modern scientific research.Phase detection is of great significance in terms of sig

6、nal transformation, data collection, control, especially it is widely used in many fields ,such as electrical, industrial automation, intelligent control and communications, electronics and so on. Therefore, phase difference measurement technology plays a very important role in signal processing and

7、 detection . In order to meet the requirements of this subject, I designed a phase difference detection circuit starting from the phase difference measurement method . The circuit can test a after a phase shift circuit signal (a sine wave phase shifter between the original signal and the phase diffe

8、rence can be detected and display by the test circuit . The design mainly includes three aspects: the phase shift circuit design, the phase difference measurement circuit design, the counting and display circuit design, etc. Source after a sine wave by two stage RC phase shifter and voltage follower

9、 of phase-shift circuit, a phase shifting sine wave is the main process, the two input signal phase difference detection circuit shaping circuit and source signal and phase signal phase disparity signal, finally output phase difference waveform width, namely signal source of zero and measured signal

10、 zero crossing point between the time difference. And then through the display circuit, and ultimately by the common cathode digital tube display. Key words: Phase difference ; Detection circuit ; Counting display circuit ; Display circuit ; Plastic circuit1 緒論 1.1 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)

11、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)

12、、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。（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，用表示。因?yàn)榕c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)得值后再計(jì)算的值。（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。 1.2 發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外對(duì)于相位差測(cè)量的研究起步早，如俄羅斯、英國(guó)、德國(guó)尤其美國(guó)該技

13、術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。如美國(guó)的Agilent（安捷倫）、德國(guó)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，Agilent 53132A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(guó)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(guó)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

14、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、頻率范圍寬、抗干擾好。圖1-1 Agilent 53132A型計(jì)數(shù)器圖1-2 CH6000A型高精度相位計(jì) 1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r與國(guó)外技術(shù)相比，我國(guó)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(guó)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(guó)外相比還是有很大的差距。隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展迅速，國(guó)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、

15、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，兩電流之間，及電壓、電流之間的相位角度。圖1-3 WP9066A多功能相位計(jì)表1-1 WP9066A多功能相位計(jì)技術(shù)參數(shù)類型測(cè)量范圍測(cè)量精度相位0360°±1°電壓0250V±1.5%電流0.140A±2%頻率1Hz9999Hz1Hz功能測(cè)量交流電流，電壓兩電壓之間，兩電流之間，及電壓、電流之間的相位角度總的來說，我國(guó)的相位差測(cè)量技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)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。 1

16、.2.3 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(jiǎn)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(jiǎn)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(guó)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

17、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)量的基本原理2.1 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： （2-1） 式（2-1）中稱為幅值，且，稱為有效值，是初始角，是相位角，通常稱為相位，可表示為： （2-2） 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)間的線性函數(shù)，令、表示角頻率為、的兩個(gè)簡(jiǎn)諧振蕩的相位，則有： （2-3）由式（2-3）可知相

18、位差也是時(shí)間的線性函數(shù)，若時(shí)則有： （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)，設(shè)它的初相角為零，如：則 （2-5） （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)、的相位差：，負(fù)號(hào)表示滯后于或超前于。在實(shí)際測(cè)量中，首先找到基準(zhǔn)信號(hào)過零點(diǎn)時(shí)刻，然后通過判斷此刻被測(cè)信號(hào)的幅值，幅值為正，則超前于，否則為滯后2。 2.3 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

19、弦波它經(jīng)過由兩級(jí)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。圖2-1 原理框圖3 設(shè)計(jì)與分析 3.1 移相電路 3.1.1 方案分析通常最簡(jiǎn)單的模擬電路移相是RC移相和LC移相，我們一般采用的是RC移相電路。如圖3-1所示，是兩個(gè)簡(jiǎn)單的RC移相電路。圖3-1 簡(jiǎn)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)行，本次設(shè)計(jì)選取的頻率是1KHz。圖3-2 有

20、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、取10 K，其傳遞函數(shù)推導(dǎo)如下： （3-1）所以： （3-2）相頻特性： （3-3）在本次設(shè)計(jì)中，1KHz的正弦波，C為10,為可調(diào)范圍為015 K的滑動(dòng)變阻器。本次采用兩級(jí)移相器且為同頻正弦波，所以相位差3。3.1.2 移相電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的移相電路由兩級(jí)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

21、用兩級(jí)移相，故移相范圍為0°180°。圖3-3 移相電路圖 3.2 檢測(cè)電路 3.2.1 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。現(xiàn)在一般使用過零檢測(cè)法。方案一：直接比較法 比較法其測(cè)量原理是將同頻率和分別直接接到雙蹤示波器的和通道。如圖3-4所示，設(shè)： （3-4） （3-5）則相位差計(jì)算公式為： （3-6） 或 其中，4圖3-4 直接測(cè)量法直接比較法的弊端就是誤差大，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

22、圖形法設(shè)測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻率的正弦信號(hào)、的相位差。以為x軸，以為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0。若圖形為一條過零點(diǎn)的線且斜率為-1，則相位差為。若圖形為橢圓，如3-5所示。設(shè)該橢圓交y軸于點(diǎn)（0，），橢圓y向最大坐標(biāo)，則相位差為。將、接示波器的X輸入端和Y輸入端，可通過觀察示波器上的圖形得到相位差5。 圖3-5 李沙育圖形法該方法雖然簡(jiǎn)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?jī)尚盘?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)

23、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6。設(shè)為被測(cè)信號(hào)，為延時(shí)后的被測(cè)信號(hào)，其表達(dá)式分別是： （3-7） （3-8）顯然和的頻率相同，相位差是一個(gè)與時(shí)間無關(guān)的常數(shù)，為延時(shí)時(shí)間，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)算得到和的相位差。 （3-9）式中，為所測(cè)的兩信號(hào)過零點(diǎn)時(shí)的時(shí)間差7。 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)間差就會(huì)變?yōu)樾盘?hào)過零點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)數(shù)n。相位差的計(jì)算公式如下： （3-10）式中，為采樣頻率；為周期信號(hào)7。過零檢測(cè)法的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，且具有測(cè)量分辨率高、線性好以及易于數(shù)

24、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。 3.2.2 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?，它的門限

25、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。圖3-8 相位差檢測(cè)波形圖3.2

26、.3 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1V18V；（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；（5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，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“-”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“-

27、”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”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)。圖3-9 LM339外型及管腳排列圖LM339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10K上拉電阻9。3.2.4 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雙穩(wěn)態(tài)觸

28、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，在這里我們選用的是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10。74LS74引腳圖如圖3-10所示：圖3-10 74LS74引腳圖74LS74的引腳功能：、：數(shù)據(jù)輸出端、：時(shí)鐘輸入端、：數(shù)據(jù)輸入端：直接復(fù)位端（低電平有效）、：直接置位端（低電平有效） 74LS74芯片的邏輯圖如圖3-11所示：圖3-11 74LS74 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3-12 74LS74輸出輸入波形圖 3.3 計(jì)數(shù)顯示電路 3.3.1

29、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，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)間間隔，然后再用計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖頻率乘以，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： （3-11）式中，n為在時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)；為被測(cè)信號(hào)頻率；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)有個(gè)門控信號(hào)，則其一共計(jì)數(shù)為，所以，則。通過上式我們可以看出，當(dāng)時(shí)標(biāo)頻率取360KHz時(shí)，代入可得：=。由此可見，在時(shí)標(biāo)頻率取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(jiǎn)便。 3.3.2 計(jì)數(shù)顯示電路設(shè)計(jì) 本

30、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。 圖3-13 計(jì)數(shù)顯示電路圖3.3.3 數(shù)碼管工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

31、極兩種，如圖3-15所示。圖3-14 數(shù)碼管外形圖圖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)碼管顯示字型碼顯示字符共陰極字符共陽極字符03FHC0H106HF9H25BHA4H34FHB0H466H99H56DH92H67DH82H707HF8H87FH80H96FH90H4 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、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、都取7.5 K 。圖4-2為兩個(gè)

32、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，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)期目標(biāo)。圖4-1 信號(hào)波形圖 圖4-2 相位差波形圖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(jiǎn)單，最后相位差數(shù)值采用數(shù)碼管顯示，其優(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R

33、5、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 和可以計(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9K，代入公式可得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 - 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4363 92118 148173誤差0.70%-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

34、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值，實(shí)際上是電感與其損耗電阻上電壓的矢量和，而不是純電感兩端的電壓。所以，電感器上電壓超前電流的相位差不再是，而是要小于它12。由于在實(shí)際電路中有很多干擾以及電路的寄生效應(yīng)，這樣最終導(dǎo)致輸入示波器的波形很不穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問題，在本次設(shè)計(jì)中我們?cè)谠葱盘?hào)和一級(jí)移相和二級(jí)移相