數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x

1、 班級(jí)：電子1112 姓名：孟雷 學(xué)號(hào)：23 課題：數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題： 數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x 班級(jí) 電氣1112 學(xué)號(hào) 1111205423學(xué)生姓名 孟 雷 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 院系 電氣學(xué)院電子系 指導(dǎo)教師 專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)小組 淮陰工學(xué)院電子信息工程系2014年12月一、設(shè)計(jì)目的與任務(wù)電子信息工程專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的實(shí)踐性教育環(huán)節(jié)，是學(xué)生在完成本專業(yè)所有課程學(xué)習(xí)后必須接受的一項(xiàng)結(jié)合本專業(yè)方向的、系統(tǒng)的、綜合的工程訓(xùn)練。在教師指導(dǎo)下，運(yùn)用工程的方法，通過(guò)一個(gè)較復(fù)雜課題的設(shè)計(jì)練習(xí)，可使學(xué)生通過(guò)綜合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，熟悉設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)要求、完成的工作內(nèi)容和具體

2、的設(shè)計(jì)方法，掌握必須提交的各項(xiàng)工程文件。其基本目的是：培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用電路設(shè)計(jì)和有關(guān)先修課程的理論，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，鞏固，加深和擴(kuò)展有關(guān)電子類方面的知識(shí)。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，應(yīng)能加強(qiáng)學(xué)生如下能力的培養(yǎng)：(1)獨(dú)立工作能力和創(chuàng)造力；(2)綜合運(yùn)用專業(yè)及基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題的能力；(3)查閱圖書(shū)資料、產(chǎn)品手冊(cè)和各種工具書(shū)的能力；(4)工程繪圖的能力；(5)編寫(xiě)技術(shù)報(bào)告和編制技術(shù)資料的能力。二、設(shè)計(jì)要求 1、被測(cè)信號(hào)為正弦波(或者是方波)，頻率為4060Hz，幅度大于等于0.5V；相位測(cè) 量精度為1度；用數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果。 2、主要單元電路和元

3、器件參數(shù)計(jì)算、選擇； 3、畫(huà)出總體電路圖； 4、提交格式上符合要求、內(nèi)容完整的設(shè)計(jì)報(bào)告 三、總體設(shè)計(jì)在電工儀表、同步檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理以及電工實(shí)驗(yàn)中,常常需要測(cè)量?jī)闪型l信號(hào)的相位差。例如,電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時(shí),要求兩電網(wǎng)的電信號(hào)之間的相位相同,這需要精確測(cè)量?jī)闪泄ゎl信號(hào)的相位差。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,該儀以可編程邏輯器件(PLD) 和鎖相環(huán)(PLL) 倍頻電路為核心,實(shí)現(xiàn)了兩列信號(hào)相位差的自動(dòng)測(cè)量及數(shù)顯。 相位差測(cè)量?jī)x的原理框圖(以分辨率為1°為例)如圖1 所示。基準(zhǔn)信號(hào)(相位基準(zhǔn))

4、f R 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(gè)N = 360 的分頻器,使鎖相環(huán)的輸出信號(hào)頻率為360f R ,但相位與f R 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。被測(cè)信號(hào)f S 經(jīng)放大整形再2 分頻后得到的f S/ 2與f R/ 2 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(hào)的相位差;利用這個(gè)信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的閘門控制信號(hào)使計(jì)數(shù)器僅在f R 與f S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f R 與f S 之間的相位差。于計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為360f R ,因此,一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖對(duì)應(yīng)1°。計(jì)數(shù)的值經(jīng)鎖存譯碼后通過(guò)LED 數(shù)碼管顯示。

5、這種測(cè)量方法可以從波形圖圖2 得到理解和說(shuō)明。圖中D 觸發(fā)器用于判斷f R 與f S 的相位關(guān)系,當(dāng)Q 為1 時(shí), f R 超前于f S ,相位取正值,符號(hào)位數(shù)碼管顯示全黑; 當(dāng)Q 為0 時(shí), f R 滯后于f S ,相位取負(fù)值,符號(hào)位數(shù)碼管顯示“ - ”。四、單元電路設(shè)計(jì)1、移相網(wǎng)絡(luò) 所謂移相是指兩種同頻的信號(hào)，以其中的一路為參考，另一路相對(duì)于該參考作超前或滯后的移動(dòng)，即稱為是相位的移動(dòng)。兩路信號(hào)的相位不同，便存在相位差，簡(jiǎn)稱相差。若我們將一個(gè)信號(hào)周期看作是360，則相差的范圍就在0°360°。：兩個(gè)同頻信號(hào)之間的移相，是電子行業(yè)繼電保護(hù)領(lǐng)域中模擬、分析事故的一個(gè)重要手段

6、，利用移相原理可以制作校驗(yàn)各種有關(guān)相位的儀器儀表、繼電保護(hù)裝置的信號(hào)源。因此，移相技術(shù)有著廣泛的實(shí)用價(jià)值。我們知道，將參考信號(hào)整形為方波信號(hào)，并以此信號(hào)為基準(zhǔn)，延時(shí)產(chǎn)生另一個(gè)同頻的方波信號(hào)，再通過(guò)波形變換電路將方波信號(hào)還原成正弦波信號(hào)。以延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)決定兩信號(hào)間的相位值。這種處理方式的實(shí)質(zhì)是將延時(shí)的時(shí)間映射為信號(hào)間的相位值。也就是說(shuō)，只要能夠測(cè)量出該延遲時(shí)間，我們就可以推算出其相位差值。2方案實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)由移相網(wǎng)絡(luò)，相位測(cè)量?jī)x，數(shù)字移相信號(hào)發(fā)生器組成。其中相位測(cè)量?jī)x由單限（過(guò)零）比較器，邏輯門電路，單片機(jī)系統(tǒng)組成。數(shù)字式移相信號(hào)發(fā)生器由單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)，頻率可調(diào)并可以步進(jìn)。移相網(wǎng)絡(luò)由相位超前，

7、滯后網(wǎng)絡(luò)及放大電路組成。鍵盤電路與顯示電路用來(lái)預(yù)置初始狀態(tài)與顯示結(jié)果。（1）移相網(wǎng)絡(luò)： 具體電路圖如圖1 在該電路中相角和電壓幅值均可以改變。本電路中第一部分是由741和RC網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的超前移相電路和滯后移相電路，第二部分為TL072運(yùn)算放大器構(gòu)成的低噪聲高增益放大電路。調(diào)節(jié)RR，R4可以改變輸出電壓幅度，R3為調(diào)零相位電。超前，滯后網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論：（如下圖）對(duì)于超前網(wǎng)絡(luò)： 關(guān)于滯后網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)題目要求，不同情況下具體的參數(shù)由上述公式計(jì)算。注意：具體調(diào)試電路的時(shí)候應(yīng)根據(jù)以上公式，當(dāng)輸入頻率改變的時(shí)候，應(yīng)改變超前，滯后網(wǎng)絡(luò)中R，C參數(shù)，此時(shí)才可以改變相位差。2放大整形電路的分析與設(shè)計(jì) 電路：在相位

8、差測(cè)量過(guò)程中，不允許兩路信號(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，圖1中A1和A2安排了相同的電路。如圖3所示，第一級(jí)運(yùn)放將輸入信號(hào)放大10倍，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7414整形后，使其轉(zhuǎn)換成TTL電平的信號(hào)3、鎖相倍頻電路 設(shè)被測(cè)信號(hào)的工作頻率為50hz ,測(cè)量的分辨率取1°,360倍頻后信號(hào)的頻率為18000hz故可選擇最高工作頻率為40MHz 的鎖相環(huán)74HC4046。而360分頻器可采用計(jì)數(shù)器。在這里我們采用的是4040計(jì)數(shù)器。 CC4040 是12 位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器。所有的計(jì)數(shù)

9、器為主從觸發(fā)器。計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。CR 為高電平時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零。由于在時(shí)鐘輸入端使用斯密特觸發(fā)器，對(duì)脈沖上升和下降時(shí)間無(wú)限制，所有輸入和輸出均經(jīng)過(guò)緩沖。我們將360化作二進(jìn)制即為000101101000，然后我們就將對(duì)應(yīng)的引腳連接起來(lái)，即可成為360分頻器。讓后將分頻器輸出作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)，即可得到360倍頻信號(hào)。3、計(jì)數(shù)器及數(shù)字顯示部分這里我們使用的是4518雙四位異步BCD碼加法器。 Cr為異步清零端 高電平有效。當(dāng)cr為0時(shí)，cp為0，這是en下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)，當(dāng)en為0，cp上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)。將低位的最高位與另一個(gè)計(jì)數(shù)器觸發(fā)端相連便構(gòu)成了帶進(jìn)位的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 CC45

10、11 是BCD7 段所存譯碼驅(qū)動(dòng)器，在同一單片結(jié)構(gòu)上由COS/MOS 邏輯器件和npn 雙極型晶體管構(gòu)成。這些器件的組合，使CC4511 具有低靜態(tài)耗散和高抗干擾及源電流高達(dá)25mA 的性能。由此可直接驅(qū)動(dòng)LED 及其它器件。LT 、BI 、LE 輸入端分別檢測(cè)顯示、亮度調(diào)節(jié)、存儲(chǔ)或選通一BCD 碼等功能。當(dāng)使用外部多路轉(zhuǎn)換電路時(shí)，可多路轉(zhuǎn)換和顯示幾種不同的信號(hào)。CC4511 提供了16 引線多層陶瓷雙列直插（D）、熔封陶瓷雙列直插（J）、塑料雙列直插（P）和陶瓷片狀載體（C）4 種封裝形式。4、相位超前于滯后顯示部分 將被測(cè)的兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)二分頻之后，接入D觸發(fā)器，其中信號(hào)a接D端，信號(hào)b接c

11、p端。如果輸出端Q為1，則a超前b，反正如果Q為0，則a滯后b。將Q端接一發(fā)光二極管，即可指示相位的超前與滯后情況。六、電路測(cè)試及測(cè)試結(jié)果在Proteus7里面進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程中，我們對(duì)電路中各個(gè)模塊的信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試。其中信號(hào)進(jìn)過(guò)前置放大電路之后，變成矩形脈沖波，說(shuō)明我們的前置放大電路是正確的。在比較了a，b信號(hào)的波形之后，我們明顯看到了相位差。而兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)異或門之后成為了相位差波形。說(shuō)明移相電路正確。 我們測(cè)量了倍頻信號(hào)的輸入與輸出端，其中輸入為50HZ,而輸出為18016HZ，說(shuō)明倍頻電路部分也是正確的。 在總體仿真部分，輸入50HZ的正弦波，我們從數(shù)碼管上讀出的值為53，54.即兩

12、個(gè)信號(hào)的相差為53。實(shí)現(xiàn)了課程設(shè)計(jì)的要求。測(cè)試波形七、設(shè)計(jì)總結(jié) 經(jīng)過(guò)兩周的努力，我們經(jīng)歷了從剛開(kāi)始對(duì)課題內(nèi)容茫然到今日在老師的指導(dǎo)下對(duì)課程設(shè)計(jì)的掌握。尤其是在剛開(kāi)始的時(shí)候，由于模擬電路的基礎(chǔ)不是很好，都不知道從什么地方下手，經(jīng)過(guò)老師的提示以及對(duì)模電相關(guān)部分的復(fù)習(xí)才能更好地進(jìn)行試驗(yàn)及仿真，平常學(xué)習(xí)中低通濾波器學(xué)的很多，但在實(shí)際運(yùn)用中還是出了很多問(wèn)題，在仿真了幾次之后終于把大致的結(jié)果仿真出來(lái)了，我和我的同學(xué)在完成后都有由衷產(chǎn)生一股成就感。 在仿真的過(guò)程中，各個(gè)模塊電路經(jīng)過(guò)測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題，但組合到一起之后，最終結(jié)果總是一直變化，這與理論上有一定的差別。在老師的指導(dǎo)下，在全組的共同努力之下，最終我們解決了這個(gè)問(wèn)題，在規(guī)定的