相位差检测.doc

常熟理工学院课程设计报告

课程设计报告

课程 电子测量与虚拟仪器课程设计
题目 相位差检测电路
系 别 物理与电子工程学院
年 级 2008 专 业 电子科学与技术
班 级 2 学 号
学生姓名
指导教师 职 称 讲师
设计时间 2011-3-28~2011-4-1

第一章 绪论 1
1.1 相位差检测电路的介绍 1
1.2 相位差测量的简单介绍 2
第二章 相位差检测电路 3
2.1 移相电路的设计 3
2.2 利用MULTISIM设计检测移相电路 5
2.2.1 仿真电路虚拟仪器参数调整 5
2.2.2 移相电路的仿真与分析 6
2.3将相位差信号转换成直流电压信号检测 8
2.3.1将相位差信号转换成直流电压信号检测的原理 8
2.3.2 电路图及具体原理分析 8
2.3.3 仿真过程 9
2.3.4 系统测量的误差分析 11
主要参考文献 11
附录 12

第一章 绪论
1.1 相位差检测电路的介绍
设计一个相位差检测电路，该电路可测试一个经过移相电路的信号（正弦波）移相后与原信号间存在的相位差，可由测试电路检测并显示。要求：设计移相电路；设计检测电路，可以使用MCU或者Labview；使用模拟式检测方法，将相位差信号转换成直流电压或者直流电流信号进行检测；要求分析系统最后的精度。
在此次的电子测量与虚拟仪器课程设计中，我们设计的相位差检测电路主要有两个模块，由这两个模块来实现对相位差的检测并用相应的器件来实现。第一个模块为移相电路，移相电路主要由两个放大器组成。一个放大器可以实现对输入信号进行0~900的移相，那么两个放大器可以实现对输入信号进行0~1800的移相。移相电路的结构比较简单，只要对放大器相应知识进行了解便能很快的设计出移相电路。在移相电路中还应用到了变位器和电容。通过调节变位器可以逐步实现每个度数的相位差；电容的作用则是实现对输入信号的滤波和使放大器工作在稳定的区域。第二个模块则是实现相位差的显示。此部分的模块主要由二极管、异或门以及放大器组成。二极管的作用是使信号工作在正负管压降之间，使电路快速的运行和工作。异或门有三个，异或门的作用主要是实现将信号与基准信号进行比较，将相位差转换成电压差的方法，然后通过电压表将电压显示，最后将电压放大一百倍即使所求的相位差。
1.2 相位差测量的简单介绍
振幅、频率和相位是描述正弦交流电的三个“要素”。以电压为例，其函数关系为
u=Umsin(ωt+φ0)
式中：Um 为电压的振幅；ω为角频率；φ0为初相位。
设φ=ωt+φ0,称为瞬时相位，它随时间改变，φ0是t=0时刻的瞬时相位值。两个角频率为ω1，ω2的正弦电压分别为
u 1=Um1sin(ω1t +φ1)

u 2=Um2sin(ω2t +φ2)
它们的瞬时相位差为
Θ=(ω1t +φ1)- (ω2t +φ2)
=(ω1-ω2)t+(φ1-φ2)
显然，两个角频率不相等的正弦电压（或者电流）之间的瞬时相位差是时间t的函数，它随时间改变而改变。当两正弦电压的角频率ω1=ω2=ω时，有
Θ=φ1-φ2
由此可见，两个频率相同的正弦量间的相位差是常数，等于两正弦量的初相位之差。在实际的工作之中，经常需要研究诸如放大器、滤波器等各种器件的频率特性，即输出、输入信号间的幅度比随频率的变化（幅频特性）和输出、输入信号间的相位差随频率的变化关系（相频特性）。尤其在图像信号传输与处理、多元信号的相干特性显得更为重要。
相位差的测量是研究网络相频特性中必不可少的重要方面，如何使相位差的测量快速、精确已成为生产科研中重要的研究课题。
测量相位差的方法很多，主要有：用示波器测量；把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔，再换算为相位差；把相位差转换为电压，先测量出电压，再换算为相位差；与标准移相器进行比较的比较法（零示法）等。在测量相位差中主要有四种方法，即用示波器测量相位差、相位差转换为时间间隔进行测量、相位差转换为电压进行测量、零示法测量相位差。在此课程设计中主要用到的是相位差转换成电压进行测量。

第二章 相位差检测电路
2.1 移相电路的设计
鉴于电路中的电容和电感均有移相功能,电容的端电压落后于电流900,电感的端电压超前于电流900,这就是电容电感移相的结果。
先说电容移相,电容一通电,电路就给电容充电,一开始瞬间充电的电流为最大值,电压趋于0,随着电容充电量增加,电流渐而变小,电压渐而增加,至电容充电结束时,电容充电电流趋于0,电容端电压为电路的最大值,这样就完成了一个充电周期,如果取电容的端电压作为输出,即可得到一个滞后于电流900的称移相电压;
电感因为有自感自动势总是阻碍电路中变量变化的特性,移相情形正好与电容相反,一接通电路,一个周期开始时电感端电压最大,电流最小,一个周期结束时,端电压最小,电流量大,得到的是一个电压超前900的移相效果;
这里说滞后或超前900,只是对纯电容纯电感而言,实际应用中是没有纯电容或纯时感的,所以,一个电容或电感的移相效果不可能正好达到滞后或超前900。下面是最简单的RC移相电路。

图2.1.1 RC移相电路
输出电压Uo与输入电压Ui之间的相位差Θ随可调节电阻R的改变而改变。当R由0→∞时，移相电路输入电压Ui和输出电压Uo的移相范围可由上向量图看出是0~900。
本课程设计中的移相电路是以集成运算放大器、电阻、电容器件，通过合理的组合来实现相位波形的移相电路。电路如图图2.1.2所示，图中U4A和U5A是0~900的移相放大器，两极移相放大器可以完成0~1800的移相。第一级由U4A组成的移相滤波电路又被叫作全通滤波器，能通过所有的频率的信号，电路增益幅度为常数，仅相位是频率的函数。

图2.1.2 移相电路
第二级由U5A组成的移相电路与第一级移相电路的原理完全相同。
2.2 利用MULTISIM设计检测移相电路
调整电位器R16和R17，可以使输入信号产生移相。用MULTISIM10仿真软件[1]对这个移相电路在0~1800相位内相位变化的部分过程进行分析和测试。
MULTISIM10仿真软进行仿真分析的一般步骤是：创建仿真电路原理图→电路图选项的设制→使用仿真仪器→设定仿真分析方法→启动MULTISIM10仿真软件。
启动MULTISIM10，它会自动打开一个空白的电路图文件。电路的颜色、尺寸和显示模式可按照设计者的喜好设置。按图2.1.1所示的移相电路进行仿真电原理图的创建, 通过元件工具栏( Component Toolbar) 进行元器件的选用, 通过仪表
工具栏( Instrument Toolbar) 进行仪表的选用。再对元器件和仪表的位置按图调整; 导线操作, 即导线的连接、弯曲导线的调整、导线颜色的改变及连接点的使用。
2.2.1 仿真电路虚拟仪器参数调整
创建仿真电原理图完成后, 先进行信号发生器的参数设置, 双击XFG1 的信号发生器图标, 出现如图3所示界面。设置信号发生器正弦交流信号, 频率为lkHz, 幅度为10V。

图2.2.1 信号发生器参数设置

启动仿真开关, 运行仿真。双击XSC1 的双通道示波器图标, 出现如图2.2.2 所示界面。调节通道Channel A、B 的刻度Scale( A、B 通道为10V/Div) , 使波形有一定的幅度, 调节时基控制Timebase 的刻度Scale 为( 200μs/Div) , 使波形便于观察。

图2.2.2 双通道示波器参数的设置

2.2.2 移相电路的仿真与分析
在电路的输入、输出端接入双通道示波器如图2.2.3示。 分别单击电位器R3 和R6 选中, 按键盘上的A 和B 键( 按键盘A和B 键电阻百分数增大, 按键盘Caps lock+A 和B 键电阻百分数减小) , 调整电位器R16 和R17 的参数, 启动仿真开关并运行仿真。反复调整, 观察示波器波形, 直到移相器输入、输出波形间相位的变化过程。两个信号在不同相位差时所对应的仿真。结果如图2.2.4 所示。

图2.2.3 双通示波器显示的波形

图2.2.4 移相器波形之间的变化

2.3将相位差信号转换成直流电压信号检测
2.3.1将相位差信号转换成直流电压信号检测的原理
目前广泛使用的是直读式数字相位计，其原理是基于时间间隔测量法，通过相位-时间转换器，将相位差为ψ的两个信号（分别称参考信号和被测信号）转换成一定的时间间隔τ的起始和停止脉冲。然后用电子计数器测量其时间间隔。如果让电子计数器的时钟脉冲频率倍乘36*10n（n为正整数），则显示值即为以度为单位的相位差值，其简单原理如图所示。也可以用相位—频率转换器，把两信号之间的相位差变成频率，用电子计量器测量。
在此次的电子测量与虚拟仪器课程设计中采用的是相位-电压转换器[4]，把相位转换为电压，用电压表测量。即是通过移相后的信号与基准信号作比较，将信号间的相位差转换成电压之差，然后通过电压表测的数再经过比例换算即可得所要求的信号间的相位差。
2.3.2 电路图及具体原理分析

图2.3.1 检测相位差原理框图
电路由常用CMOS异或门74HC86和CMOS四比较器LM124组成[3]。LM124中的A1B，A1C为输入信号的过0检测器。为了保护LM124集成块，用四只二极管（VD1-VD4）将比较器同相输入端的信号对地钳位，即把同相输入信号的幅值限制在二极管的正负管压降之内。异或门74HC86的U2A，U2B为缓冲器（当开关S1断开时）。电阻R10，R11接到U2A，U2B的输入端，这两个缓冲器的输出驱动另外两个并接的异或门U2C和U2D，并联的目的是为了减小输出阻抗。在U2C和U2D的输出端，电阻R4，R5，RP1和电容C1构成分压器和低通滤波器，对输出信号分别进行标定和滤波。由于U2C和U2的输出时一个正脉冲，它与Uia和Uib两路输入信号的过0时间差成反比例，所以C1两端的平均电压也与两端输入信号的绝对相位差成比例。
比较器A1D和晶体管VT1(2N22)组成单位增益放大器,它对电容C1上的电压既有缓冲作用,又降低了输出阻抗.
电容C2的作用是通过电阻R9建立一个最佳工作点,使比较器A1D稳定地工作在线性区内.
在校准电路时,将开关S1打开,在两个输入端同时加一个峰值电压为5V的低频(50~100HZ)正弦或方波信号,在输出端与地之间接一数字电压表,对输出电压进行监测.
当电压表读数为0时,相当于相位差为0°.把开关S1闭合,调节电位器RP1,使电压表读数为1.80V,此时相当于180°相位差.调试一经结束,就应将S1开关打开,则电路可做常规测量.
至此,数字表已校好,即可测量两路输入信号的绝对相位差.测量精度:当输入50~100Hz、峰-峰值为5V的方波时，精度优于0.4°；在输入有效值为3mV的正弦波时，精度优于1°.
2.3.3 仿真过程

图2.3.2 仿真原理的电路框图

当两个输入信号的相位为0时，电压表显示为0

图2.3.3 相位差为0

当两个输入信号的相位为180°时，电压表显示为1.8V

图8 相位差为180°
2.3.4 系统测量的误差分析
通过以上移相电路和相位差转换成电压测量的仿真实例可以看出, 用MULTISIM软件在计算机上可以完成各种设计电路的建立与能快速准确地对电路进行仿真, 且不受元器件种类、数量和测试仪表仪器的限制, 省去了用实际元器件安装调试电路的过程, 极大提高了电路设计效率和设计质量, 所以将它作为实践教学上的一种辅助手段, 可以对提高学生的综合分析能力和创新能力起到非常重要的作用。但是在仿真和测量当中，由于电阻、电容器的存在，以及变阻器是电路有效工作的调节、电路存在振荡，测量的数值必定存在着误差。主要的误差存在于将相位差转换成电压这一测量过程当中，比如上述中若计数器的频率取3600Hz时，即每个计数脉冲表示0.1°，可以提高测量准确度。在最后的测量当中，通过多次测量去平均值的方法计算出此课程设计中相位差测量的误差为0.4%~0.8%之间，若提高测量的精度，可以通过选择更精确的电阻、电容器，将变位器调节在最适当的数值来使电路工作在最适应电路测量等等。
主要参考文献
[1]黄智伟. 基于Multisim2001 的电子电路计算机仿真设计与分析[M]. 北京. 电子工业出版社, 2004.7: 83
[2]叶建波. 基于Multisim8 的压控振荡电路仿真分析[J]. 山西电子技术, 2005(4): 25- 26
[3] 努尔买买提·阿布都拉. Multisim 仿真软件在三相电源相序检测中的应用[J]. 新疆大学学报, 2006(3) 348- 361
[4]电子测量技术基础（第二版）张永瑞 修编 西安电子科技大学出版社
附录
此次的课程设计中用到的元器件有信号发生器、示波器、10K的变阻器（3个）、电容（20nF两个、10uF一个）、放大器（5个）、异或门（3个）、二极管（4个）、电压表。
相位差检测电路的硬件设施主要在面包板上实现，主要图形如下所示

搭载在面包板上的移相电路

示波器显示的相位差图形
14