數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x(精)

1、、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，通過一個(gè)較復(fù)雜課題的設(shè)計(jì)練習(xí)，可使學(xué)生通過綜合的系統(tǒng)設(shè) 計(jì)，熟悉設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設(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)

2、知識(shí)，解決實(shí)際工程技術(shù)問題的能力；(3查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊(cè)和各種工具書的能力；(4工程繪圖的能力；(5編寫技術(shù)報(bào)告和編制技術(shù)資料的能力。二、技術(shù)指標(biāo)與要求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、主要單元電路和元器件參數(shù)計(jì)算、選擇；3、畫出總體電路圖；4、提交格式上符合要求、內(nèi)容完整的設(shè)計(jì)報(bào)告三、工作原理在電工儀表、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

3、傳統(tǒng)方法是通過顯示器觀測(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?；鶞?zhǔn)信號(hào)（相位基準(zhǔn)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

4、；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LED數(shù)碼管顯示。這種測(cè)量方法可以從波 形圖圖2得到理解和說明。圖中D觸發(fā)器用于判斷fR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、總體框圖五、各模塊電路分析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)，

5、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,貝U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，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 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，只要能夠測(cè)量出該延

6、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，滯后網(wǎng)絡(luò)及放大電路組成。鍵盤電路與顯 示電路用來預(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

7、：(如下圖)對(duì)于超前網(wǎng)絡(luò)：10( /0 1/0*1*1*/(*1 arc */(*1 1(/0 (/0 200( w w A jw jw w jw w a a a j a a a aa a a tg a a a a arctg w w arctg f f f RC R C argt RC Bn =+=+=(另a=相角與頻率的關(guān)系：=其中關(guān)于滯后網(wǎng)絡(luò)：(/0 1/01*1*/(*1arc /(*1(2R A jw a w w jw w R aR j a a a a1aR a a tg R a a arctg a arctg a f RC-+-+=-=+=令相角與頻率的關(guān)系：=其中根據(jù)題目要求，不

8、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：在相位差測(cè)量過程中，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 勺限流電阻和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)

9、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)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)過緩沖。CC4040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。引出端符號(hào):CP時(shí)鐘輸入端CR清除端Q0Q11計(jì)數(shù)器脈沖輸出端VDD正電源Vss地推薦工作條件：電

10、源電壓范圍，,3V15V輸入電壓范圍，,0VVDD工作溫度范圍M 類,55C 125CE 類40C 85C極限值：電源電壓，0.5V18V輸入電壓,0.5VVDD+0.5V輸入電流± 10mA儲(chǔ)存穩(wěn)定，,，65C150C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，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

11、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。CC4511是BCD 7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n p n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

12、兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過二分頻之后，接入 D觸發(fā)器，其中信號(hào)a接D端，信 號(hào)b接cp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、仿真在Proteus7里面進(jìn)行仿真，在仿真過程中，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)過前置放大電路之后，變成矩形脈沖波，說明我們的前置放大 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)過異或門之后成為了相位差波形。說明移相電路正確。我們測(cè)量了倍頻信號(hào)的輸入與輸出端，其中輸入為50H Z,而輸出為18016HZ，說明倍頻電路部分也是正確的。在總體仿真部分

13、，輸入50HZ的正弦波，我們從數(shù)碼管上讀出的值為 53, 54. 即兩個(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、心得體會(huì)課這兩周的課程設(shè)計(jì)是一段艱苦的旅程，開始拿到課題，簡(jiǎn)直感覺摸不著頭 腦，在老師的講解下，才稍微理解了些。在圖書館查找資料的時(shí)候，心里更是茫 然，一點(diǎn)頭緒都沒有。還好在小組成員的幫助下，才把原理圖弄出來。最頭疼的還是仿真的時(shí)候，都不知道從什么地方下手，經(jīng)過老師的提示才明白 從何下手，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題， 在仿真了幾次之后終于把大致的結(jié)果仿真出來了，心中的那塊大石終于安穩(wěn)的落地 了。在仿真的過程中，各個(gè)模塊電路經(jīng)過測(cè)試沒有問題，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