数字式相位差测量仪.doc

一、设计目的
a) 培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。
b) 学习较复杂的电子系统设计的一百年方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。
c) 进行基本的技术技能训练，如基本仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理。
二、设计要求
1、 被测信号为正弦波（或者方波），频率为40—60HZ，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、内容完整的设计报告。
三、 总体设计
1、原理框图

相位差测量仪的原理框图(以分辨率为1°为例)如图1 所示。基准信号(相位基准) f R 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360f R ,但相位与f R 相同,这个输出信号被用作计数器的计数时钟。
被测信号f S 经放大整形再2 分频后得到的f S/ 2与f R/ 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f R 与f S的相位差tp 内计数,这样计数器计得的数即为f R 与f S 之间的相位差。于计数时钟频率为360f R ,因此,一个计数脉冲对应1°。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f R 与f S 的相位关系,当Q 为1 时, f R 超前于f S ,相位取正值,符号位数码管显示全黑; 当Q 为0 时, f R 滞后于f S ,相位取负值,符号位数码管显示“ - ”。

2、总体电路图

3、 部分电路详解
(1)放大电路

LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图。

(2)锁相环电路

锁相环CD4046为数字锁相环(PPL)芯片，内有两个PD、VCO、缓冲放大器，输入信号放大逾整形电路。内部稳压器等。它具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点。
CD4046引脚图

CD4046引脚功能描述:
符号
引脚
名称功能
Ph03
1
输出端（相位脉冲输出） 相位比较器2输出的相位差信号，为上升沿控制逻辑。环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平
Ph11
14
相位比较器输入端（基准信号输入 ），相位比较器输入信号，输入允许将0.1V左右的小信号或方波信号在内部放大并再经过整形电路后，输出至相位比较器。
PH12
3
相位比较器输入端（比较信号输入） 通常PD来自VCO的参考信号。
PH01
2
PDⅠ输出端 相位比较器1输出的相位差信号，它采用异或门结构，即鉴相特性为 。
PH02
13
PDⅡ输出端 相位比较器Ⅱ的输出端，它采用，上升沿控制逻辑。
VC01
9
压控振荡器的控制端。
VC00
4
压控振荡器输出端
INH
5
VCO禁止端，1有效 控制信号输入，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。
R1
11
VCO外接电阻R1
R2
12
VCO外接电阻R2
C1
6.7
并接振荡电容C1，以控制VCO的振荡频率。
DEM0
10
解调信号输出端

15
内部独立的齐纳稳压二极管负极。

（3）360分频电路

（4） 数字显示部分

数字显示电路主要有十进制计数器74LS160和七段译码器/驱动器74LS247以及共阴极LED数码管等构成。
74LS160为可预知的十进制计数器，74LS160的主要特性为：异步清零/MR1为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。74LS160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0-Q3与数据输入端P0-P3一致。对于54/74LS160,当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数器控制端CEP/CET为高电平，则PE应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS160无此种限制。

（74LS247/74LS160引脚图）
四、 仿真与调试：

根据调试，波形发生器的频率和相位影响数码管的动态显示，在Proteus7里面进行仿真，在仿真过程中，我们对电路中各个模块的信号进行了测试。其中信号进过前置放大电路之后，变成矩形脉冲波，说明我们的前置放大电路是正确的。在比较了a，b信号的波形之后，我们明显看到了相位差。而两个信号经过异或门之后成为了相位差波形。说明移相电路正确。
我们测量了倍频信号的输入与输出端，其中输入为50HZ,而输出为18016HZ，说明倍频电路部分也是正确的。
在总体仿真部分，输入50HZ的正弦波。实现了课程设计的要求。
参考文献
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[4]1994张志良主编．数字电子技术
[5]徐仁贵主编锁相环在电子电路中的应用 b京：机械工业出版社．1999同魏志派电子 技术实践 中央广播电视大学出版社