数字式相位差测量仪
专业方向课程设计报告
课题名称：数字式相位差测试仪：
学号：
班级：
专业：
归口系部：
起迄日期:
指导教师:
提交报告日期: 2015年12月18日
目录
一、设计任务和目的 _________________________________ - 1 -
（一）设计任务 ___________________________________ - 1 - （二）设计目的 ___________________________________ - 1 -
二、设计要求 ________________________________________ - 1 -
三、工作原理 _______________________________________ - 1 -
四、设计框图 _______________________________________ - 2 -
五、主要参考器件（软件仿真，用Proteus） ____________ - 2 -
六、各模块电路分析 _________________________________ - 3 -
（一）移相电路部分_______________________________ - 3 - （二）放大整形电路部分___________________________ - 3 - （三）锁相倍频电路部分___________________________ - 4 - （四）计数器及数字显示部分_______________________ - 5 - （五）相位超前于滞后显示部分_____________________ - 6 -
六、仿真___________________________________________ - 7 -
七、心得体会 _______________________________________ - 8 -
八、参考文献 _______________________________________ - 8 - 附：数字式相位差总电路图_____________________________ - 9 -
一、设计任务和目的
（一）设计任务
在老师的指导下，设计一个电路，用来测量两路信号的相位差。
（二）设计目的
培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用电路设计和有关先修课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固，加深和扩展有关电子类的知识。
通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养：
（1）独立工作能力和创造力；
（2）综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；
（3）查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；
（4）工程绘图的能力；
（5）编写技术报告和编制技术资料的能力。
二、设计要求
1、被测信号为正弦波(或者是方波)，频率为45~55Hz，幅度大于等于
0.5V；相位测量精度为1度；用数码管显示测量结果。
2、主要单元电路和元器件参数计算、选择；
3、画出总体电路图；
4、提交格式上符合要求、容完整的设计报告
三、工作原理
在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中，常常需要测量两列同频信号的相位差。例如，电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这需要精确测量两列工频信号的相位差。相位测量的方法很多，典型的传统方法误差较大，读数不方便。为此，我们设计了一种数字式相位差测量仪，该仪以可编程逻辑器件（PLD）和锁相环（PLL）倍频电路为核心，实现了两列信
号相位差的自动测量及数显。
相位差测量仪的原理框图（以分辨率为1度为例）如图1所示。基准信号（相位基准）fr经放大整形后加到锁相环的输入端，在锁相环的反馈环路中设置一个N=360的分频器，使锁相环的输出信号频率为fr，但相位与fr相同，这个输出信号被用作计数器的计数时钟。被测信号fs经放大整形再二分频后得到的fs/2和fr/2送入由异或门组成的相位比较电路，其输出脉冲A的脉宽tp反映了两列信号的相位差，利用这个信号作为计数器的闸门控制信号使计数器仅在fr与fs的相位差tp计数，这样计速器计得的数即为fr与fs之间的相位差。于计数时钟频率为360fr，因此，一个计数脉冲对应1度。计数的值经锁存译码后通过LED数码管显示。这种测量方法可以从波形图图2得到理解和说明。图中D触发器用于判断fr与fs的相位关系，当Q为1时，fr超前于fs，相位取正值，符号位数码管显示全黑；当Q为0时，fr滞后于fs，相位取负值，符号位数码管显示“一”。
四、设计框图
ui1
图1 相位差测量仪的原理框图
五、主要参考器件（软件仿真，用Proteus）
LM324、D触发器、4046锁相环、4040（十二位二进制计数器）、4511、数码管。
六、各模块电路分析
（一）移相电路部分
所谓移相是指两种同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的移动，即称为相位的移动，即称为是相位的移动。两路信号的相位不同，便存在相位差，简称相差。若我们将一个信号周期看作是360，则相差的围就在0~360度。两个同频信号之间的移相，是电子行业继电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段，利用移相原理可以制作校验各种有关相位的仪器仪表、继电保护装置的信号源。因此，移相技术有着广泛的使用价值。我们知道，将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。以延时的长短来决定两信号间的相位值。这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。也就是说，只要能够测量出该延迟时间，我们就可以推算出其相位差值（具体实施电路如图所示）。
（二）放大整形电路部分
在相位差测量过程中，不允许两路信号在放大整形电路中发生相对相移。为了使两路信号在测量电路中引起的附加相移是相同的的。
图2 移相放大整形电路
（三）锁相倍频电路部分
设被测信号的工作频率为55Hz，测量的分辨率取1度，360倍频后信号的频率为19800Hz，故可选择最高工作频率为40MHz的锁相环4046（如图所示）。而360分频器可采用计数器。在这里我们采用的是4040计数器（如图3所示）。
4040是12位二进制串行计数器。所有的计数器为主从触发器。计数器在时钟下降沿进行计数。CR为高电平时，对计数器进行清零。
图3 锁相倍频电路
（1）锁相环4046的引脚功能：
1脚相位输出端，环路入锁时为高电平，环路失锁时为低电平。
2脚相位比较器Ⅰ的输出端。
3脚比较信号输入端。
4脚压控振荡器输出端。
5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。
6、7脚外接振荡电容。
8、16脚电源的负端和正端。
9脚压控振荡器的控制端。
10脚解调输出端，用于FM解调。
11、12脚外接振荡电阻。
13脚相位比较器Ⅱ的输出端。