低频数字式相位测量仪.docx

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低频数字式相位测量仪

中北大学

课程设计说明书

学生姓名:

王瑾琦

学号：

0518140104 

学院:

 电子与计算机科学技术学院

专业:

 电子科学与技术

题目:

低频数字式相位测量仪

系主任

任勇峰

指导教师：

李圣昆职称:

讲师

2008年1月5日

一、设计目的

1掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；

2学习使用PROTEL软件绘制电路原理图及印刷板图；

3掌握应用EWB对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确性。

二、设计要求

设计一个简易低频数字式相位测量仪，具体要求如下：

1.频率范围：

10Hz～10kHz。

2．相位测量仪的输入阻抗≥100千欧。

3.相位测量绝对误差≤2度。

三、设计内容

（一）相位差测量

1．原理分析

输入两路同频率的正弦波信号，其波形表达式分别为：

其中

、

为电压瞬时值，

、

为电压的幅值，

为角频率，

、

为初始相角，当两路信号的频率相同时，相角差

是一个与时间无关的常数

将此两路正弦波信号经过放大整形成两路占空比为50%的正方波信号f1、f2，经过异或门输出一个脉冲序列A，与晶振产生的基准脉冲波B进行与操作得到调制后的波形C，在一定的时间范围内对B、C中脉冲的个数进行

计数得

、

，则其相位差计算公式为

，采用多个周期计数取平均值的方式以提高测相精度。

系统框图如图2-1-2所示：

2．原理电路

①前级放大整形电路：

两列正弦波信号经过一级电压跟随器以提高测量仪的输入阻抗，选用高精度、低漂移型运放TLE2074使输入阻抗达到兆欧数量级，由LM311构成的迟滞回环比较器可以有效的避免在过零点时信号的干扰和抖动所引起的电压跳变，最后通过一级单门限电压比较器输出两路TTL电平信号，经异或门得到方波的脉冲序列。

该前级放大整形电路的基本原理图如下：

②相位差测量电路

通过理论分析，基准频率越高，记得的窄脉冲个数越多，相位差的测量也越精确，但是受到8254极限工作频率的影响，最终选取8.000MHz的晶振，由单片机I/O口控制两片8254分别对两路脉冲进行计数，将8254内含的两路计数器进行级联以提高计数位数，对32位的计数结果进行浮点运算使得相位差测量的分辨率达到0.1º，其原理图如图2-1-4所示：

③相位极性判别电路

在图2-1-4所示的相位测量电路中，只能

给出相位差的大小，无法判断波形的超前或者

滞后，因此将波形整形电路的两路输出

方波送入D触发器中进行相位极性判别，

当

超前

时，Q端输出高电平，反之输出低

电平，极性判别的原理图如右图2－1－5所示。

注：

此次实验，也曾设想过设计更完整的电路。

现在将完成的电路的原理附在后面，见附页三。

（二）相位测试模块流程图如图3-1-1所示：

图3-1-1相位测试流程图

四、原理图和印刷板

1.前级放大整形电路部分：

通过Protel制作的电路原理图

PCB印刷板

封装名：

PartTypeDesignatorFootprint

2KRCAXIAL-1.0

2KRAAXIAL-1.0

2KRBAXIAL-1.0

2KRDAXIAL-1.0

9.1KR4AXIAL-1.0

9.1KR3AXIAL-1.0

10KR2AXIAL-1.0

10KR1AXIAL-1.0

74ALS86UEDIP-14

100KR9AXIAL-1.0

100KR5AXIAL-1.0

100KR10AXIAL-1.0

100KR6AXIAL-1.0

500R8AXIAL-1.0

500R7AXIAL-1.0

LM311U2DIP-8

LM311U1DIP-8

LM311U3DIP-8

LM311U4DIP-8

TLE2074UDDIP-8

TLE2074UBDIP-8

TLE2074UADIP-8

TLE2074UCDIP-8

所生成的网络表见附页一与附页二。

2.相位差测量电路部分：

通过Protel制作的电路原理图

封装名：

PartTypeDesignatorFootprint

74HC20U5DIP-14

74HC20U4DIP-14

8254U2DIP-24

8254U1DIP-24

VPULSEV1

五、仿真图形和仿真结果

由于无法找到相关器件，所以无法使用EWB软件进行仿真。

使用Prosys6.9.04软件对总体电路即下图进行仿真，原理及仿真图见附页三。

六．相位测量电路误差分析

在相位测量过程中，受电子元器件性能的影响，在正弦波经过零检测电路整成方波的过程之中，两路信号不可能做到时延特性完全的一致，前端放大电路以及过零检测电路会带来方波信号相对于输入信号的过零点偏移，所以得到的两个方波信号的相位差实际上是输入信号的相位差和两路过零比较电路相位差的综合相差，由于是在一定的时间内对脉冲的个数进行计数，因此将引入截断误差，尤其当两路信号的相位差较小时，截断误差的存在将在很大程度上对相位测量的精度造成影响。

七．设计结论

本系统实现了题目基本部分以及发挥部分的要求，经过测试，相位测量仪的测量范围为：

电压（峰峰值）：

0.2V～30V；频率：

2Hz～65kHz；显示分辨率为0.01度，测量的绝对误差在2º以内。

八.设计心得体会

a）      根据指导教师布置的课题，学会了找参考书籍、查阅手册、图表和文献资料等。

通过独立思考，深入钻研有关问题，学会了自己分析解决问题的方法。

b）      掌握了电子线路的焊接技术，了解了印制版的制作技术。

c）      通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节，初步掌握了简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

d）      掌握了常用仪器设备的正确使用方法，学会了简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高了动手能力。

e）      了解了与课题有关的电子线路以及元器件工程技术规范。

f）      培养了严肃认真的工作作风和科学态度。

九.主要参考文献

①童诗白．模拟电子技术基础．北京：

高等教育出版社，2002

②张建华．数字电子技术．北京：

机械工业出版社，2004

③陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：

机械工业出版社，2005

④毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：

机械工业出版社，2005

⑤潘永雄．电子线路CAD实用教程．西安：

西安电子科技大学出版社，2002

⑥张亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．北京：

航空工业出版社，2004

附页一：

前级放大整形电路部分网络表

（一）

附页二：

前级放大整形电路部分网络表

（二）

附页三：

总体设计原理及电路图

设计思路及原理：

采用锁相环CD4046组成的高精度相位测量电路，用于测量两信号的相位时精度可达0.1度。

被测信号ΨΑ和ΨΒ加到用运算放大器U1和U2构成的输入隔离电路上，实现放大和整形，然后分别经过运算放大器U3和U4构成的两个基准信号比较器，产生ΨΑ’和ΨΒ’。

图中的比较器是作为零相位校准开关而设置的，当基准信号同时加到两个通道时（开关K拨至“校零”，基准信号由ΨΑ端输入），通过两个通道中的比较器输入端1KΩ电位器的调节，将两个通道中的相位差调到零。

从而显示器显示为零，校零完毕后，被测信号从ΨΑ和ΨΒ端输入，开关K拨至“测量”。

电路中的锁相环PLL芯片CD4046的输出频率在3600倍以上，于是CD4046管脚4的输出信号是与ΨΑ端输入信号同相，且频率为ΨΑ端输入信号频率3600倍的脉冲，作为相位差计数器的计数器的计数时钟。

电路实现相位差测量的原理是对ΨΑ脉冲上升沿和ΨΒ脉冲上升沿之间的间隔时间进行测量，并用七段显示器显示测量结果。

电路中的相位差计数器由四片十进制计数器/译码器CD4046级联构成，最大计数器为9999。

ΨΑ’脉冲上升沿经400PF和1KΩ电阻构成的微分电路产生一个正的脉冲作用在CD4046的CLD端（管脚4），使CD4046复位，同时ΨΑ’脉冲上升沿使U5（触发器D）置位。

QA变为高电平，启动计数器计数；此时禁止显示器显示。

当ΨΒ’脉冲上升沿来时，触发U6，使QΒ变为高电平，从而U5异步复位，U6也随之复位；QΑ变为低电平，禁止继续计数，同时选通显示器，显示计数结果。

当ΨΑ脉冲上升沿再次到时，重复上述工作过程。

由上可知：

U5和U6在这里用作ΨΑ’和ΨΒ’脉冲上升沿检测电路来控制计数器和显示器的工作。

本电路可以在直流到500HZ的输入信号频率范围内工作，频率的上限由所用锁相环的频率上限决定。

为了减少相位校准时的误差，提高校准精度，用开关选择锁相环的外接阻容元件R1,R2,C.

续附页三

（一）

通过Prosys6.9.04软件仿真的结果