引言相位差測量數字化的優點在于硬件成本低、適應性強、對于不同的測量對象只需要改變程序的算法，且精度一般優于模擬式測量。在電工儀表、同步檢測的數據處理以及電工實驗中，常常需要測量兩列同頻率信號之間的相位差。例如,電力系統中電網并網合閘時，需要求兩電網的電信號的相位差。相位差測量的方法很多，典型的傳統方法是通過示波器測量，這種方法誤差較大，讀數不方便。為此，我們設計了一種基于鎖相環倍（分）頻的相位差測量儀，該儀器以鎖相環倍（分）頻電路為核心，實現了工頻信號相位差的自動測量及數字顯示。論文摘要本系統為低頻數字式相位/頻率測量儀，由移相網絡模塊、相位差測量模塊及頻率測量模塊三大部份構成，其系統功能主要是進行相位差測量及頻率測量。移相網絡主要是由RC移相電路和LM324運放電路組成，將被測信號送入移相網絡，經RC移相、LM324隔離放大，產生兩路信號，一路為基準信號經過波形轉換，另一路為移相后的信號。分別經過波形轉換、整形、二分頻送給相位測量模塊及頻率測量模塊。相位差測量儀主要是由鎖相環PLL(PhaseLockLoop)產生360倍頻基準信號和移相網絡的基準信號與待測信號進行異或后的信號作為顯示器的閘門電路和控制信號。頻率測量模塊主要是用計數法測量頻率的，它是有某個已知標準時間間隔Ts內，測出被測信號重復出現的次數N,然后計算出頻率f=N/Ts.顯示電路模塊主要是由計數器、鎖存器、譯碼器和數碼管組成。低頻率數字相位測量儀目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1設計任務書 .3\o"CurrentDocument"2設計方案概述 3\o"CurrentDocument"3系統的組成 4.3.1總體框圖 43.2移相網絡部分 43.3相位測量部分 61）波形轉換、整形放大 82）鎖相環倍頻 93）閘門電路 114）控制門 115）計數器 116）鎖存器 117）顯示譯碼器與數碼管 113.4頻率測量部分 121）數字頻率計的基本原理 122）系統框圖 124附錄一、設計任務書（一）任務設計仿真一數字相位計（二）主要技術指標與要求：（1）輸入信號頻率為1KHZ?20KHz可調（2）輸入信號的幅度為10mV（3）采用數碼管顯示結果，相位精確到0.1°（4）采用外部5V直流電源供電（三）對課程設計的成果的要求（包括圖表）設計電路，安裝調試或仿真，分析實驗結果，并寫出設計說明書。要求圖紙布局合理，符合工程要求，所有的器件的選擇要有計算依據。二、設計方案概述根據設計任務書的要求，我們參考了一些相關資料書，經過小組的討論分析，提出了方案：相位測量儀是利用鎖相環PLL（PhaseLockLoop）技術組成相位差測量儀。基準信號與待測信號進行異或后的信號作為計數器的閘門控制信號來控制計數器，使計數器在待測信號與基準信號之間的相位差間計數，則計數器計出來的數值則為待測信號與基準信號間的相位差。數字頻率計實際上就是一個脈沖計數器，即在單位時間里（如1S）所統計的脈沖個數.圖1是數字頻率計原理廣框圖.該系統主要由輸入整形電路'晶體振蕩器'分頻器及量程選擇開關'門控電路'閘門'計數譯碼顯示電路等組成.首先，把被測信號?（以正弦波為例）通過放大'整形電路將其轉換成同頻率的脈沖信號?，然后將它加到閘門的一個輸入端.閘門的別一個輸入端是門控電路發出的標準脈沖,只有在門控電路的輸入高電平的時間T是非常準確的，它由一個高穩定的石英振蕩器和一個多級分頻器及量程選擇開關共同決定.邏輯控制電路是控制計數器的工作順序的，使計數器按照一定的工作程序進行有條理的工作（例如準備一一計數一一顯示 清零一一準備下一次測量）.低頻率數字相位測量儀低頻率數字相位測量儀三、系統的組成（-）總體框圖（見圖3.1）+3600放大整治f+2具或門鬧門電路控停康路1?1門電計放器淬碼顯示存放大整殄計型器譯碼顯示（-）總體框圖（見圖3.1）+3600放大整治f+2具或門鬧門電路控停康路1?1門電計放器淬碼顯示存放大整殄計型器譯碼顯示移相網絡低頻數字相位差、頻率測量儀的組成框圖（二）移相網絡部分（圖3.1）移和網絡是由二節RC超前或滯后移相網絡、集成運算放放大器組成的電壓跟隨器和運放組成的。I1 電路如圖所示。由它的相量圖可知“超&一個相角6,/二次一-標C,當f-o時，4）-90°；f-8時，6-0。這說明：一節RC電路最大相移不超過90°,不能滿足相位平衡條件。若兩節RC電路最大相移雖

可接近180。，但此時頻率必須很低，從而容抗很大，致使輸出電壓接近于零,所以本電路乂加了電壓跟隨器和放大器。RRRC超前相移網絡RC超前相移網絡RC滯后相移網絡AC移相器，具有電路簡單，經濟方便等優點，但選頻作用較差，振幅不夠穩定，頻率調節不便，因此一般用于頻率固定、穩定性要求不高的場合。如圖3.2所東移相網絡的電路移相網絡電路由于不同的頻率輸入要達到準確的移相，電阻和電容的參數就要改變才能使RC正常移相。本電路電路調試了三組參數分別為100HZ、500HZ、lKHZo其計數公式：/=-2-

低頻率數字相位測量儀本電路是通過撥碼開關對相位計的量程的進行轉換的，調整電位器R7即可對輸入信號進行±45°如上圖所示，R7的下端電壓為：『下=1/加x ，0力為輸入信號,R+jwcW為輸入信號的角頻率。（三）相位測■部分目前廣泛使用的是直接式數字相位計，其原理如圖所示，被測信號U1,U2分別經過過零比較器1和2,使得信號由負到正通過零點時產生一個脈沖信號，由這兩個脈沖信號控制RS觸發器的工作狀態，使RS觸發器給出一個脈沖寬度等于兩個被測信號間時延T的矩形波,如圖3.3所示，用這個矩形波作為與門的門控信號,控制標準脈沖的個數，由計數器記錄通過與門的標準脈沖數.|\U1U2直接式數字相位計U1U2直接式數字相位計設標準脈沖周期為TS,并以與開啟1秒種作為計時標準，即與門開通1秒種相當于兩信號的相位差為3600,此時，計數器的計數值為1/TS.若兩被測信號的周期為TX,則被測信事情一周期內與門開通的時間為兩被測信號的時延T,那么1秒內與門開通的總時間為N=△t/Ts=t/T）：*Tt=N*Tx*Ts而N=△t/Ts=t/T）：*Tt=N*Tx*Ts則兩被測信號間的相位差為△0二T/Tx*360c=N*Ts*360°最后由譯碼顯示電路將測量結果直接顯示出來.-3-本電路經過討論決定用脈沖計數法測量相位差其方框圖如圖3.4所示:計數器存三閘門電珞譯碼顯示計數器存三閘門電珞譯碼顯示相位差波形圖-）波形轉換、整形放大移相網絡輸出的兩個信號A、B經過運放LM324波形轉換把正弦波轉換成方波，為了能測量不同電平值與波形的周期信號的相位，必須對被測信號進行放大與整形處理，使之成為能被計數器有效識別的脈沖信號.信號放大與波形整形電-4-低頻率數字相位測量儀路的作用即在于此.信號放大可能采用一般的運算放大電路,波形整形可以采用施特觸發器，整后送給D觸發器74LS74二分頻輸出二個方波信號，電路如圖3.5所示。AABE-AABE-.Lr波形轉換、整形、二分頻電路二）鎖相環倍頻鎖相式數字頻率合成器電路原理框圖如圖所示1、鎖相式數字頻率合成器的組成與基本工作原理圖中的相位比較器與壓控振蕩器VCO由鎖相環LM4046組成。1/N分頻電路是一個三級可預置數分頻器，各級都采用可預置數BCD碼同步1/N制計數器MC14522,每級的分頻比可由單片機去控制，也可用4位小型撥動開關以8421BCD碼形式對該級計數器進行預置數，分頻比可選擇的范圍為0——999,總共可生成999個頻率點，它是構成鎖相式數字頻率合成器的主要單元電路之一，稱之為程序分頻器TN。-5-按所需的分頻比N,預先輸入百位、十位和個位的數據后，給4046鎖相環相位比較器H（第14引腳PDU）,輸入頻率為fR的方波信號壓控振蕩器產生頻率為f0的輸出信號U0,經程序分頻器TN后，得到頻率為fv的比較信號5,送至相位比較器U（第3引腳Pg）。這兩個信號在相位比較器II中進行比較，當鎖相環鎖定后，可得到：fR=fV其中： fy=fo/N代入得： fR=fo/N即： fo=NXfx由此可知，當fR固定不變時，改變三級程序分頻器的分頻比N,VCO的輸出振蕩頻率（也就是頻率合成器的輸出頻率）f。就會得到相應地改變。這樣，只要輸入一個固定信號頻率fr,即可得到一系列所需要的頻率，其頻率間隔等于fx,對于選擇不同的f則可以獲得不同的f氏頻率間隔。例如： 設輸入的fr=1.024KHz,N取為132,則f0=NXfR=132*1.024KHz=135.168KHz。2、實際使用的相位比較器與環路低通濾波器4046鎖相環集成電路內部含有兩個相位比較器，其中相位比較器I為異或門（即模為二和結構）比較器，為使鎖相范圍最大，通常要求兩個輸入信號PD”和PDu的占空比必須為50%的方波，而相位比較器11為過沿控制式比較器，它只由兩個信號的上升沿作用，因此不要求波形占空比為50機由于本實驗系統電路基本鎖相環實驗電路與鎖相式數字頻率合成器實驗電路二者均組合在一起，基于相位比較器的比較信號來自程序分頻器電路，占空比非50%,因而本實驗電路選用相位比較器H。該比較器不僅具有鑒相功能，而且具有鑒頻功能，當兩個輸入信號5和5頻差很大時，環路從鑒相工作狀態自動轉入鑒頻工作狀態，迫使f丫接近f&等到fv=fr時，環路比鑒頻器工作狀態自動轉入鑒相工作狀態，這種數字鑒相器把鑒頻與鑒相密切結合在一起，使用較為方便。相位比較器H輸出的相位誤差電壓是周期性脈沖波形，需要使用環路低通濾波器將它平滑后輸出一個直流控制電壓，去控制VCO頻率和相位，使之向減-6-低頻率數字相位測量儀小誤差方向變化，以消除頻差與相差，從而達到鎖定狀態。對于高頻噪聲及其它交流諧波分量，它們將受到濾波器的抑制。環路低通濾波器由外接的R、C元件組成無源比例積分濾波器。三）閘門電路閘門電路的作用是控制計數器的輸入脈沖，使計數器僅在兩信號的相位差之間計數。四）控制門A'B'74LS04A'B'74LS04控制電路的輸入信號是異或門的輸出信號A,由上圖可知控制電路在信號A的下降沿時，要先將計數器的計數結果送入鎖存器進行鎖存，然后對計數器進行清零，以便計數器下一次能正常工作。控制電路74LS386和74LS04組成。五）計數器計數器的作用是對輸入脈沖計數.根據設計要求,最高測量相位差為一度，應采用3位十進制計數器.本電路選用74LS160集成計數器.六）鎖存器在移相網絡的兩個相位差內計數器的計數結果（被測信號相位）必須經鎖定后才能獲得穩定的顯示值.鎖存器通過觸發脈沖的控制，將測得的數據寄存起來,送顯示譯碼器.鎖存器可能采用一般的8位并行輸入寄存器.為使數據穩定,最好采用邊沿觸發方式的器件.七）顯示譯碼器與數碼管是把用BCD碼表示的十進制數轉換成能驅動數碼管正常段信事情，以獲得-7-

數字顯示.顯示譯碼器的輸出方式必須與數碼管匹配（共陰共陽之分）。（四）頻率測■部分在許多情況下,要對信號的頻率進行測量.利用示波器可能粗略測量被測信號的頻率，精確測量則要用到數字頻率計.數字頻率計用到的數字技術很多.本節數字頻率計的設計與制作項目可以進一步加深我們對數字電路應用技術方面的了解與認識，進一步熟悉數字電路系統設計'制作與調試的方法和步驟一）數字頻率計的基本原理數字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率.頻率是在單位時間（1S）內信號周期性變化的次數.如果我們能在給定的1S時間內對信號波形計數,并將計數結果顯示出來,就能讀取被測信號的頻率.其頻率可表示為：f=N/r數字頻率計首先必須獲得相對穩定與準確時間，同時將被測信號轉換成幅度與波形均能被數字電路識別的脈沖信號，然后通過計數器計算這一段時間間隔內的脈沖個數，將其換算后顯示出來.這就是數字頻率計的基本原理.二）系統框圖從數字頻率計的基本原理出發,根據設計要求，得到如圖所示的電路框圖放大整形閘門電路鎖存計數器譯碼顯示放大整形閘門電路鎖存計數器譯碼顯示時基電路f數字頻率計的框圖把被測信號（以正弦波為例）通過放大'整形電路將其轉換成同頻率的脈沖信號?，其頻率與被測信號△的頻率相同。時基電路提供標準的Is時間基準信號,其高電平持續時間九二Is,當Is信號來到時，閘門開通，被測信號通過閘門，-8-

低頻率數字相位測量儀輸入信號1S基彳隹通過的脈沖鎖存信號清等信號頻率測■模塊波形圖計數器開始計數，直到Is信號結束時閘門關閉，停止計數。若在閘門時間Is內計數器計得的脈沖個數為N,輸入信號1S基彳隹通過的脈沖鎖存信號清等信號頻率測■模塊波形圖下面介紹框圖各部分的功能及實現方法：1、放大整形電路a信號經過運放LM324波形轉換把正弦波轉換成方波，為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進行放大與整形處理,使之成為能被計數器有效識別的脈沖信號.信號放大與波形整形電路的作用即在于此.信號放大可能采用一般的運算放大電路,波形整形可以采用施特觸發器，本電路是采用74LS04非門整形的。b調試方法是將頻率為1000HZ'幅值為0.5V的正弦信號到輸入到放大'整形電路中，用示波器觀察輸出波形應為對稱的方波信號?.2、1秒的時基信號發生器-9-秒信號發生器是數字電子鐘的核心部分，它的精度和穩定度決定了數字鐘質量，通常用晶體體振蕩器產生的脈沖經過整形、分頻獲得1HZ的秒脈沖。常用的典型電路如圖所示。1S的時基電路CD4060是14位二進制計數器。它內部有14級二分頻器，有兩個反相器。CP1（11腳）、/CPO（10腳）分別為時鐘輸入、輸出端，即內部反相器G1的輸入、輸出端。圖中R為反饋電阻（10MG100MG）,目的是為CMOS反相器提供偏置，使其工作在放大狀態。C1是頻率微調電容，取5/30PFX2是溫度特性校正用電容,一般取20~50PF。內部反相器G2反相器起整形作用，且提高帶負載能力。石英晶體采用32768Hz晶振,若要得到1HZ的脈沖，則需經過15級二分頻器完成，由于CD4060只能實現14分頻,故必須外加一級分頻器，可采用CD4013雙D觸發器完成。3、計數、譯碼、顯示部分工作原理：當閘門信號打開時送給計數器一個上升沿電壓，計數器開始計數，等到門控電路送一個1S的信號去鎖存計數器在1S內計數的次就等于被測信號的頻率。波形如圖所示：-10-低頻率數字相位測量儀@ ^1 ? 清等計數、譯碼、顯示波形圖?應用中的幾個注意問題(1)改善穩壓器工作穩定性和瞬變響應的措施三端固定集成穩器的典型應用電路如圖所示.圖(A)適合7800系列,UI、UO均是正值；圖(B)適合7900系列，UI、U0均是負值;其中UI是整流濾波電路的輸出電壓.在靠近三端集成穩壓器輸入、輸出端,一般要接入Cl=0.33UF和C2=0.1UF電容，其目的是使穩壓器在整個輸入電壓和輸出電流變化范圍內，提高其工作穩定性和改善瞬變響應.為了獲得最佳的效果，電容器應選用頻率特性好的陶瓷電容或膽電容為宜.另外為了進一步減小輸出電壓的絞波，一般在集成穩壓器的輸出端并入一兒百UF的電解電容.，1(A)CW7800系列穩壓器的典型應用 (B)CW7900系列穩壓器的典型應用-11-（2）確保不毀壞器件的措施三端固定集成穩壓器內部具有完善的保護電路，一旦輸出發生過載或短路,可自動限制器件內部的結溫不超過額定值.但若器件使用條件超出其規定的最大限制范圍或應用電路設計處理不當，也是要損壞器件的.例如當輸出端接比較大電容時（CQ25UF）,一