实验二 相位差测量.doc

实验二 相位差测量
一、实验目的
1、掌握将相位差转换为电压的原理。
2、掌握脉冲电压的脉宽与电压平均值成正比的原理。
3、掌握磁电系仪表的基本读数是电流（电压）的平均值。
4、了解硬件电路的设计方法和基本的硬件调试方法。
二、实验类型
综合型
三、实验仪器

序号
名称
数量
备注
1
面包板
1

2
电阻
8
1MΩ，2个。51kΩ，2个。5 kΩ，2个。200Ω，2个。
3
电容
1
202或222
4
稳压二极管
4
1N4148
5
发光二极管
2

6
LM339
1

7
CD4070
1

8
CD4013
1

9
信号发生器
1
1KHz，9.5V
10
可调电阻箱
1
20 kΩ
11
可调电容箱
1
50微法
12
万用表
1

13
直流电源
1
直流电源电压10V
四、实验原理
1、 原理图

图1 相位表原理图

2、 电路原理
此电路可以检测-180--+180的相位差。两路输入信号Y1、Y2经整形后成为两路与原信号同频率同相位的方波。方波送入异或门CD4070，CD4070的输出是电压脉冲，脉冲宽度与输入信号的相位差绝对值成正比。用磁电式仪表测CD4070的输出电压（根据磁电系仪表的原理，测量值为电压的平均值），测量值Uo与脉冲宽度成线性关系。因此可得Uo与输入信号的相位差绝对值成正比。输入信号的超前、滞后由LED显示，当Y1超前Y2时，LED1亮；当Y1滞后Y2时，LED2亮。

3、 相位差与时间差的关系

4、 脉冲电压的平均值与脉宽成正比

其中：a——脉宽。T——脉冲电压周期。UH——脉冲电压高电平。

5、 磁电系电压表的读数是电压的平均值。

五、实验内容和要求
1、内容和要求
搭出相位差测量电路，并在具体电路上验证，调系数。具体要求：掌握基本的硬件插接技术，布线必须正确、接触良好，其次要求布线合理、清晰、美观。

2、测量数据
构造如图2所示的电路，信号发生器产生频率为100Hz的正弦波，调节RC参数可以改变Y1（电源电压）与Y2（电阻电压，与回路电流同相位）之间的相位差，记为。Y1和Y2作为相位表的输入信号，用磁电系电压表（或万用表测量）测量相位表的输出电压，当输出电压测出后，脉宽a就可以算出来，a算出来后，相位差也就可以算出来，记为，比较和。记录发光二极管（LED）的状态，用以确定两路正弦信号的相位关系（超前/滞后）。

表1 阻抗角测量记录表格

阻值（Ω）
电容（μF）

相位差（度）
观察LED
电压读数
Vo（V）
相位差
（度）

LED1
LED2

﹡注意观察LED

图2 用相位表测量阻抗角

3、硬件调试方法
制作硬件时，若输出电压值或LED的状态不正确，需调试硬件电路，找出错误并改正。建议采用以下方法调试硬件：
（1）用电压表测量各点电压，或者用示波器观察各点波形。
（2）从输入信号起，向后逐点测量，具体步骤如下所述。
首先看两路输入的正弦波信号是否正常，改变电阻数值时，两路正弦波的相位差是否改变，若不改变或无正弦波，说明外部的信号电路有问题，可以逐一排查信号源、R和C的数值，以及它们的连接。
然后看LM339是否有输出，输出的幅值是否正常，输出方波是否与输入正弦波同相位，输出方波的相位差是否随输入信号的相位差变化。若以上任一项不正常，可以考虑以下几种可能：LM339的各引脚连接有错；LM339后面连接的电路有错，影响了LM339；LM339芯片坏。需逐一排除以上可能，直至LN339输出正确。
再看CD4070是否有输出，输出是否随输入的相位差变化。若以上任一项不正常，可以检查以下几方面：4070的输入信号是否正确；4070的引脚连接是否正确；4070芯片是否损坏。
CD4013的输出是两个确定的电平，一个是高电平，另一个是低电平，高电平引脚所连接的发光二极管会点亮。把Y1、Y2的位置互换，引脚的输出电平与互换前相反。

六、注意事项

制作硬件注意事项
（1） 插拔板上的任何元件、线路时，均要断开直流电源和输入信号，否则会损坏芯片。
（2） 给三个芯片供电的直流电源电压取+10V。
（3） 芯片的Vcc或VDD接芯片工作电源，Vss或GND接地。
（4） 芯片上没用到的输入脚不可悬空，全部接到固定电平，可以接到高电平（Vcc或VDD）或低电平(地)。芯片上没用到的输出脚必须悬空，不可接固定电平。
（5） 请注意看CD4013芯片资料里的真值表。R和S端应接地，输出才会随D和Clock端变化。
（6） `元件和引线的金属引脚尽量不外露，以减小干扰。
（7） 合理布局，板面以整齐、引线少为上，尽量减少长线和相互跨接的线。
（8） “地”是指一个公共点，并不一定接大地。综合实验中信号发生器地、直流电源地、电路板地、电压表地是同一点。
（9） 为了便于调试和检查，面包板上输入输出以及接地线位置如图7所示。

图7 面包板输入输出接法
注：以下部分供同学们参考，最终交实验报告时不要包括在内。

芯片简介：
LM339是电压比较器，输入正弦信号，输出同频率同相位的方波。其芯片的管脚定义图2所示。

图2 LM339的管脚定义

CD4013，锁存器，当时钟端（Clock，本电路中接Y2整形后的方波）是上升沿时，输入数据由数据端（D）传输至输出端（Q）。其芯片的管脚定义和真值表如图3所示。

图3 CD4013的管脚定义及其真值表

CD4070，异或门，相同出0，不同出1。其芯片的管脚定义和真值表如图4所示。

图4 CD4070的管脚定义及其真值表

原理图中各典型结点的波形如图5所示，两路输入信号分别用正弦电压源产生，它们的频率都是100Hz，Y1的幅值为10V，初相角为，Y2的幅值为15V，初相角为。

图5（a）两路输入电压

图5（b）LM339正极性端的电压波形

图5（c）Y1经LM339后的输出电压

图5（d）Y2经LM339后的输出电压

图5（e）CD4070的输出电压

图5（f）CD4013的端子电压

图5 （g）CD4013的Q端子电压
图5 原理图中各典型结点的波形

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