數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x

1、數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x作者：江漢大學(xué)物理與信息，秦工摘 要：介紹一種基于 PLD 和 PLL 的數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x的工作原理以及硬件電路組成。：數(shù)字；相位差；PLD；PLL在電工儀表、同步檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理以及電工實(shí)驗(yàn)中，常常需要測(cè)量?jī)闪型l信號(hào)的相位差。例如，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時(shí)，要求兩電網(wǎng)的電信號(hào)之間的相位相同，這需要精確測(cè)量?jī)闪泄ゎl信號(hào)的相位差。相位測(cè)量的方法很多，典型的傳統(tǒng)方法是通過(guò)顯示器觀測(cè)，這種方法誤差較大，讀數(shù)不方便。為此，輯器件(PLD)和鎖相環(huán)(PLL)倍頻電路為設(shè)計(jì)一種數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x，該儀以可編程邏，實(shí)現(xiàn)了兩列信號(hào)相位差的自動(dòng)測(cè)量及數(shù)顯。測(cè)量的分辨率可根據(jù)需要選擇 0.1或

2、1，當(dāng)選擇 0.1時(shí)，可測(cè)信號(hào)的頻率范圍為 1Hz10kHz，當(dāng)選擇 1時(shí)，可測(cè)信號(hào)的頻率范圍為 1Hz100kHz。1、 工作原理相位差測(cè)量?jī)x的原理框圖(以分辨率為 0.1為例)如圖 1 所示。基準(zhǔn)信號(hào)(相位基準(zhǔn))fR經(jīng)放大整形后加到鎖相環(huán)的輸入端，在鎖相環(huán)的反饋環(huán)路中設(shè)置一個(gè) N=3600 的分頻器，使鎖相環(huán)的輸出信號(hào)頻率為 3600fR，但相位與 fR 相同，這個(gè)輸出信號(hào)被用作計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘。被測(cè)信號(hào) fS 經(jīng)放大整形再 2 分頻后得到的 fS2 與 fR2 送入由異或門組成的相位比較電路，其輸出脈沖 A 的脈寬 tp 反映了兩列信號(hào)的相位差；利用這個(gè)信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的閘門控制信號(hào)，使計(jì)

3、數(shù)器僅在 fR 與 fS 的相位差 tp 內(nèi)計(jì)數(shù)，這樣計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)即為 fR 與 fS 之間的相位差。由于計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為 3600fR，因此，一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖對(duì)應(yīng) 0.1。計(jì)數(shù)的值經(jīng)鎖存譯碼后通過(guò) LED 數(shù)碼管顯示。這種測(cè)量方法可以從波形圖圖 2 得到理解和說(shuō)明。圖中 D 觸發(fā)器用于判斷 fR 與 fS 的相位關(guān)系，當(dāng) Q 為 1 時(shí)，fR 超前于 fS，相位取正值，符號(hào)位數(shù)碼管顯示全黑；當(dāng) Q 為 0 時(shí)，fR 滯后于fS，相位取負(fù)值，符號(hào)位數(shù)碼管顯示“-”。12、 前置電路設(shè)計(jì)與分析(1) 放大整形電路：在相位差測(cè)量過(guò)程中，不允許信號(hào)在放大整形電路中發(fā)生相對(duì)相移。為了使信號(hào)在測(cè)量電路中引起

4、的附加相移是相同的，圖 1 中A1 和A2 安排了相同的電路。如圖 3 所示，第一級(jí)運(yùn)放將輸入信號(hào)放大 10 倍，第二級(jí)運(yùn)放用作比較器，經(jīng) 3.3k 的限流電阻和 DZ 組成的限幅電路以及二極管 D 和 7414 整形后，使其轉(zhuǎn)換成 TTL 電平的信號(hào)。(2) 鎖相倍頻電路： 設(shè)被測(cè)信號(hào)的最高工作頻率為 10kHz，測(cè)量的分辨率取 0.1，3600倍頻后信號(hào)的頻率為 36MHz，故可選擇最高工作頻率為 40MHz 的鎖相環(huán) 74HC4046。當(dāng)分頻系數(shù) N 取 360 時(shí)，同理，測(cè)量的分辨率為 1，可測(cè)信號(hào)的最高工作頻率可取100kHz。3600 或 360 分頻器由一片可編程器件 GAL16

5、V8 來(lái)完成，這樣電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化。由開(kāi)關(guān) K 控制，當(dāng)?shù)?9 腳為時(shí) N=3600；為低電平時(shí) N=360，電路如圖 4 所示。為了使 fR 在 1Hz100kHz 時(shí)鎖相環(huán)工作穩(wěn)定，線性良好，入鎖時(shí)間快，電阻電容參數(shù)選擇見(jiàn)圖 4 所標(biāo)的值。3、 計(jì)數(shù)器及數(shù)顯部分計(jì)數(shù)器及數(shù)顯部分由可編程器件和 5 個(gè) 7LED 數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，電路如圖 5 所示。數(shù)碼管最LED5 為相位超前滯后顯示位，低 4 位數(shù)碼管顯示相位差的值。計(jì)數(shù)器、鎖存及譯碼電路由可編程器件完成。選用 MaX7000 系列的最高工作時(shí)鐘為 76MHz 的 EPM7064LC77，程序用 Verilong HDL 語(yǔ)言編寫。計(jì)數(shù)鎖存部分程序如