數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x

1、武漢理工大學(xué) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，電子技術(shù)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通 運(yùn)輸、航空航天、國(guó)防建設(shè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域中，而電子測(cè)量技術(shù)又是電子 技術(shù)中進(jìn)行信息檢測(cè)的重要手段，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中占有舉足輕重的作用和地位。 低頻數(shù)字式相位測(cè)試儀在工業(yè)領(lǐng)域中是經(jīng)常用到的一般測(cè)量工具，比如在電力系 統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時(shí)，需要兩電網(wǎng)的電信號(hào)相同，這就需要精確的測(cè)量?jī)晒ゎl信 號(hào)之間的相位差。更有測(cè)量?jī)闪型l信號(hào)的相位差在研究網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的頻率特性 中具備重要意義。相位測(cè)量的方法很多，典型的傳統(tǒng)方法是通過(guò)顯示器觀測(cè)，這 種方法誤差較大，讀數(shù)不方便。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)一種數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x

2、，實(shí)現(xiàn) 了兩列信號(hào)相位差的自動(dòng)測(cè)量及數(shù)顯。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，很多 測(cè)量?jī)x逐漸向“智能儀器”和“自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)”發(fā)展，這使得儀器的使用比較簡(jiǎn) 單，功能越來(lái)越多。本低頻數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x主要是測(cè)量電壓和電流的相位差，由整形放大電路、 基本門(mén)電路、鎖相倍頻，計(jì)數(shù)譯碼等集成電路構(gòu)成。測(cè)量的分辨率可達(dá)到 0.1 可測(cè)信號(hào)的頻率范圍為 40Hz 60Hz ，幅度為 0.5，由于 74HC4046的性能比較好， 使得所制得的儀器精度相對(duì)較高，達(dá)到了任務(wù)書(shū)中所規(guī)定的要求。數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與方案選擇基于過(guò)零檢測(cè)法的數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x方法概述 基于過(guò)零檢測(cè)法數(shù)字相位測(cè)量?jī)x工作原理，從變換方

3、式來(lái)分，有將相位差變 換成直流電壓的，有將相位差變換成時(shí)間的。后者又可以分為瞬時(shí)值相位法和平 均值相位法。下面就對(duì)這兩種方法分別作介紹，最后再對(duì)這兩種方法作對(duì)比分析。 其實(shí)為達(dá)到較高的精度且便于數(shù)字集成，本設(shè)計(jì)最終將采用相位差變換。相位電壓法相位電壓法的實(shí)現(xiàn)原理如下，由于任務(wù)書(shū)中要求測(cè)量一電路中電壓和電流的相位差， 本設(shè)計(jì)的兩路信號(hào)是以輸入電壓作為基準(zhǔn)信號(hào)Fs，經(jīng)過(guò)一個(gè) RC電路后提取電流信號(hào) Fr經(jīng)電壓比較器整形為方波信號(hào)，再2分頻后得到的 FS 2與 FR 2送入由異或門(mén)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(hào)的相位差，再經(jīng)過(guò) RC電路積分后進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)相位差

4、與電平成正比的關(guān)系，由芯片ICL7136 組成的顯示校正網(wǎng)絡(luò)得到相位差值。圖中的 D觸發(fā)器用于判斷 FR與 FS的相 位關(guān)系，當(dāng) Q為1時(shí)， FR超前 FS，相位取正值，符號(hào)位顯示全黑；當(dāng)Q為0時(shí)， FR滯后于 FS，相位取負(fù)值，符號(hào)位顯示“ -”。其總體原理方框圖和測(cè)量波形圖分別如圖 1-1 和圖 1-2 。圖 1-1 方案一總體原理方框圖圖 1-2 測(cè)量波形圖在上圖中有 V=v*tp/T. 其中 T為鑒相之后的波形周期， v 為波形高度。1.1.2相位時(shí)間法基于相位時(shí)間法原理的測(cè)量?jī)x的原理框圖如圖1-3 所示?；鶞?zhǔn)信號(hào) ( 電壓信號(hào) )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)

5、路中設(shè)置一個(gè)N=3600的分頻器，使鎖相環(huán)的輸出信號(hào)頻率為 3600fr ，但相位與 fr 相同，這個(gè)輸出信號(hào)被 用作計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘。圖 1-3 總體原理方框圖電流信號(hào) fs 與電壓信號(hào) fr 經(jīng)放大整形再 2分頻后得到的 fs2與 fr 2送 入由異或門(mén)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(hào)的相位 差；利用這個(gè)信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的閘門(mén)控制信號(hào)，使計(jì)數(shù)器僅在 fr 與 fs 的相位差 tp 內(nèi)計(jì)數(shù)，這樣計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)即為 fr 與 fs 之間的相位差。由于計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率 為 3600fr ，因此，一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖對(duì)應(yīng) 0.1 。計(jì)數(shù)的值經(jīng)鎖存譯碼后通過(guò) LED 數(shù) 碼管顯示。

6、這種測(cè)量方法可以從波形圖圖 1-4 得到理解和說(shuō)明。圖中 D 觸發(fā)器用 于判斷 fr 與 fs 的相位關(guān)系， D觸發(fā)器的特性方程如下式 (1.1), 當(dāng) Q為 1 時(shí)， fr 超前于 fs ，相位取正值，符號(hào)位數(shù)碼管顯示全黑；當(dāng)Q為 0時(shí)，fr 滯后于 fs ，相位取負(fù)值，符號(hào)位數(shù)碼管顯示“”。圖 1-4 測(cè)量波形圖1.2 方案的比較與選擇通過(guò)對(duì)以上兩種方法的基本原理分析與比較，本設(shè)計(jì)中的相位時(shí)間法采用的是一種基于 74HC4046的鎖相功能和利用 74LS90芯片制成的 3600 分頻來(lái)達(dá)到信號(hào)的倍頻效果，其精度可達(dá)到 0.1 。而相位時(shí)間法則是基于RC電路的積分和 ICL7136芯片的顯示

7、校正網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位差的測(cè)量和顯示，其測(cè)量精度和穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如上一種方法高。鑒于以上諸多因素，本設(shè)計(jì)最終選擇相位時(shí)間法。2 相位時(shí)間法單元電路的原理分析與實(shí)現(xiàn)方法前置電路設(shè)計(jì)與分析放大整形電路的分析與實(shí)現(xiàn)放大整形電路：在相位差測(cè)量過(guò)程中，不允許電壓和電流 兩路信號(hào)在放大整形電路中發(fā)生相對(duì)相移。為了使兩路信號(hào)在測(cè)量電路中引起的附加相移是相同的，2-1 所示，第一級(jí)運(yùn)放將輸入信號(hào)放大 11 倍，放大倍數(shù)的計(jì)算公式如下式 2-1 ，第二級(jí)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 7404 整形后，使其轉(zhuǎn)換成 TTL 電為圖 1-3 中 A1和 A2 安排了相同的電路

8、。如圖平的信號(hào)。其中 k 為放大倍數(shù)。為了使信號(hào)能放大11 倍，可以將 R2 設(shè)置為 100K，將 R1設(shè)置為 10K。圖 2-1 放大整形電路鎖相倍頻電路的分析與實(shí)現(xiàn)鎖相倍頻電路： 設(shè)電流信號(hào)的最高工作頻率為 100Hz ，測(cè)量的分辨率取 0.1 ， 3600 倍頻后信號(hào)的頻率為 360KHz，故可選擇最高工作頻率為 40MHz 的鎖相環(huán) 74HC4046。為了使 fr 在 40Hz 60Hz 時(shí)鎖相環(huán)工作穩(wěn)定，線性良好，入鎖時(shí)間快， 電阻電容參數(shù)選擇見(jiàn)附錄 1 的元器件名細(xì)表所標(biāo)的值。其電路原路圖如圖 2-2 所 示。圖 2-2 鎖相倍頻電路設(shè)經(jīng)過(guò)放大整形后的兩路信號(hào)分別記為 fr 和 f

9、s 。信號(hào) fr 由鎖相環(huán)的 14 腳輸入，輸出信號(hào)經(jīng)由 4 片 74LS90 芯片組成的 3600 分頻器反饋到鎖相環(huán)的 3 腳輸入， 其中兩片 90 芯片組成兩個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器， 另兩片組成兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器， 一起組成 3600 的分頻器。整個(gè)模塊實(shí)現(xiàn) 3600 倍頻的效果，使得測(cè)量的精度能達(dá) 到 0.1 。圖 2-3 為 4046 的引腳圖，圖 2-4(a) 、 2-4(b) 為 90 芯片的引腳圖和功圖 2-4 （ a ） 74LS90 引腳圖圖 2-4(b) 74LS90 功能表能圖圖 2-3 4046 引腳圖計(jì)數(shù)器及數(shù)顯部分的設(shè)計(jì)與分析 計(jì)數(shù)器及數(shù)顯部分由計(jì)數(shù)器譯碼器及 5 個(gè) 7

10、段共陽(yáng) LED 數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。數(shù)碼管 最高位 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(jì)數(shù)器、鎖存及譯碼電路由數(shù)字邏輯器件完成。本設(shè)計(jì)選用 74LS161 計(jì)數(shù)及 74HC4511 譯碼來(lái) 實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)及數(shù)顯部分的功能要求。2.2.1 計(jì)數(shù)器部分的分析與實(shí)現(xiàn)本部分的核心部件是由十六計(jì)數(shù)器74LS161 ，一共用四片 74LS161 和四片與非門(mén)采用反饋清零法制成的四個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，四片 161 達(dá)到計(jì)數(shù)鎖存相位差數(shù) 值的效果，其電路原理圖如圖2-5 。其最低位 161 片的脈沖由經(jīng)過(guò)異或門(mén)和經(jīng)過(guò)鎖相倍頻后的兩列波經(jīng)過(guò)一個(gè)與非門(mén)產(chǎn)生 ，這是為了保證計(jì)數(shù)器能在所求相位差的 脈沖時(shí)間內(nèi)

11、計(jì)數(shù)。其輸出端接譯碼器的輸入端A、B、C、 D。其 LOAD端與異或門(mén)出來(lái)后的信號(hào)相連，當(dāng)停止計(jì)數(shù)時(shí)將觸發(fā)置數(shù)端產(chǎn)生清零的效果。圖 2-5 計(jì)數(shù)器原理圖芯片 74LS161 的引腳圖和功能表分別如圖 2-6(a) 和 2-6(b) 所示圖 2-6(a) 74LS161引腳圖圖 2-6(b) 74LS161 功能表譯碼顯示部分的分析與實(shí)現(xiàn)譯碼顯示部分是由四片 74HC4511與四個(gè) 7 段共陽(yáng)數(shù)碼管來(lái)共同達(dá)到譯碼顯示 相位差的效果，第 5 個(gè)數(shù)碼管引腳的 G端與 D 觸發(fā)器相連，用來(lái)顯示相位差的超 前或滯后當(dāng) Q為 1 時(shí)， fr 超前于 fs ，相位取正值，符號(hào)位數(shù)碼管顯示全黑；當(dāng) Q 為 0

12、 時(shí)， fr 滯后于 fs ，相位取負(fù)值，符號(hào)位數(shù)碼管顯示“ - ”。其電路原理圖如圖 2-4 。芯片 4511 的 LE 端與異或門(mén)出來(lái)后的非門(mén)相連，當(dāng)計(jì)數(shù)器停止工作時(shí)， 4511 將鎖存 LE 由 0 跳變到 1 時(shí)的 BCD碼的輸入。芯片 74HC4511 的引腳圖和功能表如 圖 2-8(a) 和 2-9(b) 所示。圖 2-7 譯碼顯示原理圖圖 2-8(a) 4511 引腳圖圖 2-8(b) 4511 功能表結(jié)束語(yǔ)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，本系統(tǒng)能夠比較精確檢測(cè)頻率為40 60Hz，幅度為 0.5V 的電壓和電流的相位差，測(cè)量精度為 0.1 ，用數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果相當(dāng)直觀和清晰，且具 備體積小、操作靈

13、活、性能穩(wěn)定和性價(jià)比高的特點(diǎn)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了題目基本部分以及發(fā)揮部分的要求，經(jīng)過(guò)測(cè)試，相位測(cè)量?jī)x幅度為 0.5V ，頻率為 40 60Hz 的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。如果要進(jìn)一步提高精度和簡(jiǎn)化設(shè) 計(jì)，可將數(shù)字邏輯器件改為可編程邏輯器件，還可以 加入相位測(cè)量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)， 將鎖相倍頻的功能進(jìn)一步完善，如改為可選測(cè)量的分辨率等，使得系統(tǒng)更趨于智 能化、人性化的特點(diǎn)。當(dāng)然，本設(shè)計(jì)也有一些不足之處，如在調(diào)試的過(guò)程中數(shù)碼管的顯示不夠穩(wěn)定， 這主要是因?yàn)檩斎胄盘?hào)要要經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)放和一個(gè) 3600 的分頻所致，還有一部分原 因是所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比較龐大，所用元器件數(shù)量偏多，參數(shù)設(shè)置不太準(zhǔn)確，導(dǎo)致總 體效果不太好。改進(jìn)的方法

14、是將前置運(yùn)放的倍數(shù)提高，合理設(shè)置參數(shù)使鎖相環(huán)的 倍頻穩(wěn)定。通過(guò)本次 課程設(shè)計(jì)，使我 具 備電子電路的 基礎(chǔ)知識(shí)和查閱資料和手 冊(cè)的能 力，熟悉常用電子器件和常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器及電子設(shè)計(jì)常用軟件， 已掌握電子電路實(shí) 驗(yàn)的基本方法。參考文獻(xiàn)（第五版 ）. 高等康華光 .電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分 （ 第五版 ） 、電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分 教育出版社， 1998.謝自美 .電子電路、實(shí)驗(yàn)及測(cè)試 M. 華中理工大學(xué)出版社， 2000.張厥勝 .鎖相環(huán)頻率合成器 M .電子工業(yè)出版社， 1997.陳賾 .在系統(tǒng)可編程技術(shù) M .科學(xué)出版社， 2001.附錄 1元器件名細(xì)表相位時(shí)間法總體電路原理圖：A B C D E

15、F G U2 Q Q Q Q Q Q Q4511A B C D E F Q Q Q Q Q QR2R310kA B C D71 26 3 45附錄 245117 1 2 6 3 4 5Q Q Q Q Q Q Q4511A B C DQ Q Q Q Q Q Q4511A B C D11C51U21:DU21U9Q Q Q74LS16174LS16191DADAD A O LRMD A O LRMU77400U8U274LS740Q001Q7400U1074LS161U14046CPCP1 RREN1251DOMC21000pR410kR610kR13R1410k1R5100kC1 R10010k235:ALM324C3100uFR15100kU15:C10104LM324U11141 CKA1 CKBU12U13U14R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS90R81kR7100kR101kR11100kQ0Q112QQ32 811141 CKA1 CKBR0(1)R0(2)R9(1)R9(2)74LS90+5vU15:BQ0Q1129QQ32 811141 CKA1 CKBQ0Q1Q2Q3129D5U16:AR9 D57 3.3k 11N4148 7404LM324U15:DD613R121