簡易數顯式工頻信號相位差測量儀設計

ID:756126 · 發表于 2020-6-1 22:13

一．設計任務

（1）兩個工頻電壓信號可以通過RC網絡實現，調節電阻R的值可以改變兩信號的相位差

（2）兩輸入正弦信號的輸入幅值的變化范圍10~100mV。

（3）兩個信號的相位差采用數碼管進行數字顯示。

（4）相位差的數字顯示分辨率要求0.1℃。

（5）具有量輸入信號的“超前”和“滯后”判別功能。

二．設計方案分析

相位差是工業測控領域經常需要測量的參數，如電力系統中功率因數的測量、鐵路系統中相敏軌道電路相位差的測量以及科氏質量流量計中的相位差測量等等。而相位差的測量又不同于傳統的電壓、電流信號或物位、溫度量的測量。首先，相位差信號依附于電壓、電流信號中，如何剔除電壓、電流、頻率變化對相位差測量的影響是相位差測量中很重要的一個方面;其次,相位差是一個比較量,測量兩路信號之間的相位差不僅需要保證兩路信號的頻率相同,而且要排除由于兩路信號的幅值等其它因素不一致而對測量造成的影響。因此,如何準確可靠地測量相位差是值得研究的課題。

通過查閱資料發現，一些常用的方法如下圖所示

由于本設計是測量工頻信號（50Hz）的相位差，考慮到設計電路的經濟性等，故選擇基于過零檢測方法中的基于異或門的測量方法中的電壓測量法來測量電路即可。其常用兩種方法原理如下：

1．相位瞬時測量原理

首先將兩同頻率的正弦信號經過放大、整形變換成同頻率的方波信號；兩方波信號經鑒相電路，輸出脈沖的寬度正比于信號的相位差；鑒相器的輸出控制一閘門，在兩信號相位差時間內，閘門打開，頻率為f0的標準脈沖進入到計數器，則計數器的輸出正比于兩信號的相位差。各點的工作波形圖如下圖所示。設兩信號的過零時刻之間的時間差為Tx，在Tx時間內通過的脈沖個數為N0，所以

，式中T0為計數脈沖的周期。設被測信號的頻率為f，兩信號的相位差為

，則

，顯然等式左邊就是兩信號的相位差：

，可見信號的相位差正比于計數脈沖的個數。但是該表達式信號的相位差還和被測信號的頻率有關，所以不能直接測量出信號的相位差。故該方法適合于測量固定頻率信號的相位差，不適合于測量兩信號頻率變化的情況。

相位瞬時測量原理框圖

瞬時相位測量工作波形

2．相位平均值測量原理

為了消除被測信號頻率對測量結果的影響，可以采用測量信號相位差平均值的方法實現，其工作原理如下圖所示。該原理圖只是增加了第二個閘門和分頻器兩部分，分頻器的作用是產生一個控制第二個閘門開通的時間T2，T2=αT0，其中α是分頻系數，另外要求T2遠大于被測信號的周期T。可見在T2開啟第二個閘門開通的時間里，有許多組脈沖通過第二個閘門進入計數器，每組脈沖的個數為N0。因此進入計數器總的脈沖個數為：

。又因為

，所以

。

其中α是常數。可見，無論測量什么頻率的信號，兩信號的相位差總是與計數器所計的脈沖個數成正比，與信號的頻率無關。

相位平均測量原理框圖

本題目明確了是兩個頻率為50hz的工頻信號，因此選用相位瞬時測量。為了能夠正確顯示兩信號相位差的大小，實際電路中還應有控制邏輯電路，其目的是順序產生“測量→鎖存→清零”工作時序信號，保證系統的正常工作。

三．測試方案分析

受限于軟件模擬及計算機性能，本設計采用分模塊調試驗證，然后用示波器測出每一分模塊的輸出，用函數發生器加到下一模塊的輸入

四．單元電路設計、邏輯控制電路設計

1.放大整流及鑒相電路

這里設定可調R2為50kΩ×0.2=10 kΩ，通過理論計算可得

相位差?φ=arctan（2π×50×

×

）=72.3°

分別是信號源和電容兩端電壓，由示波器波形可知

均通過比較器lm393獲得良好整形，ch3是通過74ls86鑒相所得波形，由示波器可知其頻率為100hz，占空比為40%，且經1n4148反向限幅使得送入74ls86的反向電壓近似為0，能正常工作

2. 相位超前/滯后判別電路

Part1：

CLK端接

，D端接

，所得理論曲線如下圖。

實驗與理論吻合

Part2：

D端接

，clk端接

，所得理論曲線如下圖。

實驗與理論吻合

3.邏輯控制電路

在鑒相脈沖信號作用下，如果要完成計時，就要產生一個控制脈沖計數器電路的計數信號K1和控制脈沖計數器清零信號K2。為了能夠清晰的顯示信號相位差的值，要求控制計數器計數時間為1個鑒相脈沖的周期，保持（鎖存）計數器的時間為8個信號的周期，對計數器清零的時間為1個信號周期，實現上述功能需要一個至少模為10的計數器，本實驗采用74LS160完成，計數器在“0000”狀態時輸出給“相位差計數器”輸出一個清零信號，該信號可以采用74LS160的進位信號Co；當計數器在“0001”狀態時，使“相位差計數器”開始計數；在計數器從“0010~1001”狀態時，“相位差計數器”處于保持狀態。電路原理圖如下圖所示。

4. 時基脈沖信號產生電路

鑒相電路為頻率為100hz，周期為10ms，精度為0.1°所以要求時基脈沖能在10ms內產生最大180°相移角測量，即1800個周期。所以時基脈沖的周期為1/180 ms，頻率為180khz

利用74ls14如圖連接成多諧振蕩器，調節可變電阻R2的阻值，得到180khz的時基脈沖。

5. 脈沖計數及相位差顯示電路

本實驗要求精度為0.1°，兩信號最大相位差是180°（本實驗移相電路僅能達90°），故最大顯示數應為1800，本實驗采用由四片74LS160級聯構成的模10000的計數器。當K1信號為高電平時計數器計數，K1為低電平（在K2為1時），計數器保持不變；只要K2輸出低電平，計數器立即被清零。計數器的數值通過顯示譯碼器直接在LED顯示，其顯示的值即為被測兩信號的相位差大小。其原理圖如下所示。