畢業(yè)設計--相位計電路的設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　前言………………………………………………………………………………..4</p><p>　　設計要求及功能框圖…………………………………………..7</p><p>　　第1.1節(jié) 設計要求……………………………………………..7</p><p>　　第

2、1.2節(jié) 功能框圖（功能分解）………………………………...8</p><p>　　第二章 背景知識……………………………………………………….....9</p><p>　　第2.1 節(jié) 相關知識………………………………………………….…9</p><p>　　第2.2 節(jié) 主要原器件介紹………………………………………...12</p>

3、<p>　　第三章 電路設計</p><p>　　第3.1 節(jié) 信號處理電路……………………………………..19</p><p>　　第3.2 節(jié) 信號相位鎖定電路………………………………..20</p><p>　　第3.3 節(jié) 相位檢測電路…………………………………………….21</p><p>　　第四章

4、 總電路及工作原理</p><p>　　第4.1 節(jié) 總電路圖 ………………………………………….23</p><p>　　第4.2 節(jié) 工作原理………………………………………….24</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著人們生活的日益豐富，科學技術的不斷發(fā)展以及現(xiàn)代工業(yè)的日新月異

5、，相位計電路的應用顯得越來越為重要。在現(xiàn)代的電路系統(tǒng)之中，一般的電路都可能發(fā)生諧振等。對于電力系統(tǒng)，負載電壓電流的相位產生的功率因數(shù)，導致系統(tǒng)能量傳輸效率下降。另外，不當?shù)南辔?，可能會導致系統(tǒng)的穩(wěn)定出現(xiàn)問題。對于通訊系統(tǒng)，相位導致的延遲，可能會使信號失真。</p><p>　　本文介紹了相位計電路的設計及其工作原理。通過放大器，CD4046鎖相環(huán)以及相位檢測計來實現(xiàn)電路的相位檢測調節(jié)。</p>&l

6、t;p>　　關鍵詞：相位計電路，放大器，鎖相環(huán)，相位檢測計</p><p><b>　　作者：曹劍峰</b></p><p><b>　　指導老師：朱永樂</b></p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As people living

7、increasingly rich,the developing science technology,the modern industry change with each passing day.Phase meter circuit is more and more important. In the modern electrical system, general resonant circuit can be change

8、d, etc. For the power system, the power factor of load voltage and current phase, led to the decrease of the system energy transmission efficiency. In addition, improper phase, problems may lead to the stability of the s

9、ystem. For communication system, caused by </p><p>　　This paper introduces the phase meter design and work principle of the circuit, Through the amplifier, CD4046 phase lock loop and phase detector to achiev

10、e adjust phase detection circuit.</p><p>　　Key words: Phase meter circuit, Amplifier, Phase locked loop, Phase detector.</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　相位是反映交流電任何時刻的狀態(tài)的物理量。

11、交流電的大小和方向是隨時間變化而變化的。比如正弦交流電流，它的公式是i=Isin(ωt+φ)。i是交流電流的瞬時值，I是交流電流的最大值，ω是交流電的角速度，φ是交流電流的起始相位，t是時間。隨著時間的推移，交流電流可以從零變到最大值，從最大值變到零，又從零變到負的最大值，從負的最大值變到零。在三角函數(shù)中ωt相當于角度，它反映了交流電任何時刻所處的狀態(tài)，是在增大還是在減小，是正的還是負的等等。因此把ωt+φ叫做相位，或者叫做相。<

12、/p><p>　　在電子技術中，相位是最基本的參數(shù)之一，相位測量在信號提取、檢測、處理等方面有著重要的意義，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此相位的測量就顯得更為重要。在諸多領域都有廣泛的應用。當今世界各個國家的航天、通信、信號采集和信息處理分析等諸多領域飛速發(fā)展，競爭日益激烈?；谙辔粶y量所處的重要地位，相位測量儀仍需要不斷地改進，以滿足生產生活的實際需要。</p><

13、p>　　相位測量儀也常用于學校實驗室中，由于傳統(tǒng)教學儀器使用不便或不易讀出準確數(shù)值，實驗室設備更新和硬件更新費時費力等原因，用鎖相環(huán)來設計和實現(xiàn)相位測量儀來滿足需要是一個相當不錯的方法。</p><p>　　相位計電路（Phase meter circuit）隨著電路的發(fā)展應運而生。在一般的電路系統(tǒng)之中，負載電壓電流的相位產生的功率因數(shù)，導致系統(tǒng)能量傳輸效率下降。另外，不當?shù)南辔唬赡軙е孪到y(tǒng)的穩(wěn)定出現(xiàn)問

14、題。對于通訊系統(tǒng)，相位導致的延遲，可能會使信號失真。</p><p>　　相位一致性是指將圖像傅里葉分量相位最一致的點作為特征點，它不但能夠通過觀察相位一致性高的點檢測到階躍特征、線特征以及屋頂特征等亮度特征，而且能夠檢測到由于人類視覺感知特性而產生的馬赫帶現(xiàn)象。</p><p>　　設一維信號為F(x)，則其傅里葉級數(shù)展開為：</p><p>　　假定信號的邊界在

15、相位一致性值較大的地方出現(xiàn)，相位一致性值PC(x)在0~1之間變化，1表示檢測到了非常顯著的邊緣信息，而0表示沒有檢測到任何信息。</p><p>　　雖然利用相位一致性檢測的邊緣信號效果尚可，但是對信號頻率分解的計算過程卻非常復雜，實時性較差，所以對其進一步簡化，得到近似模型，即局部能量模型。</p><p>　　2011年以來，隨著政府刺激內需政策效應的逐漸顯現(xiàn)以及國際經(jīng)濟形勢的好轉，

16、相位計下游行業(yè)進入新一輪景氣周期從而帶來相位計市場需求的膨脹，相位計行業(yè)的銷售回升明顯，供求關系得到改善，行業(yè)盈利能力穩(wěn)步提升。同時，在國家“十二五”規(guī)劃和產業(yè)結構調整的大方針下，相位計面臨巨大的市場投資機遇，行業(yè)有望迎來新的發(fā)展契機。</p><p>　　在電子技術中，相位是最基本的參數(shù)之一，相位測量在信號提取、檢測、處理等方面有著重要的意義，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此相位的測

17、量就顯得更為重要。在諸多領域都有廣泛的應用。當今世界各個國家的航天、通信、信號采集和信息處理分析等諸多領域飛速發(fā)展，競爭日益激烈。基于相位測量所處的重要地位，相位測量儀仍需要不斷地改進，以滿足生產生活的實際需要。</p><p>　　相位測量儀也常用于學校實驗室中，由于傳統(tǒng)教學儀器使用不便或不易讀出準確數(shù)值，實驗室設備更新和硬件更新費時費力等原因，用鎖相環(huán)來設計和實現(xiàn)相位測量儀來滿足需要是一個相當不錯的方法。&l

18、t;/p><p>　　第一章 設計要求及功能框圖</p><p><b>　　1.1 設計要求</b></p><p>　　該相位計的技術指標羅列如下：</p><p>　　輸入信號需為同頻率的兩信號，但其頻率可以為未知的；</p><p>　　采用表頭顯示，顯示范圍為0°~359.9

19、76;；</p><p>　　采用直流電源+5V供電。</p><p>　　1相位測量能夠保證測量精確度的頻率范圍</p><p>　　2相位量程相位測量無模糊測相的范圍</p><p>　　3電平范圍相位測量在規(guī)定的幅度-相位誤差范圍內所容許的最大信號電平范圍。</p><p>　　4相位分辨率（相位靈敏度）相位測量

20、能夠分辨的最小單位。它通常為顯示最低一個數(shù)字代表的相位差。</p><p>　　5相位極性相位測量結果的極性是以參考信號的相位作為參考來定義的。</p><p>　　6相位準確度相位測量的實際值與理論值的偏差程度。</p><p>　　7相位-頻率特性相位準確度或誤差隨信號頻率變化的特性。</p><p>　　1.2 功能框圖（功能分解）&

21、lt;/p><p>　　此處輸入信號A,B是同頻率的正弦波電源。</p><p><b>　　第二章 背景知識</b></p><p><b>　　2.1 相關知識</b></p><p>　　相位作為電的基本參數(shù)之一在電子工程技術中具有重要的意義，相位的測量隨著科技的發(fā)展也經(jīng)歷了深刻的變革。<

22、/p><p>　　測量相位的方法有很多，像傳統(tǒng)的借助于示波器測量相位其測量范圍和測量精度受到很大的限制，在一些要求比較高的場合就不能用它了。除此之外還有一些專用的用來測量相位的裝置，例如：電子計數(shù)式測頻裝置，特別是微控制技術發(fā)展到一定階段后像單片機的出現(xiàn)使相位測量的設計發(fā)展到一定的水平和高度。</p><p>　　在任務書的基本要求中提出相位測量儀的頻率范圍，相位測量儀的輸入阻抗大于等于，允許

23、兩路輸入正弦信號峰峰值可在0.3V~0.5V范圍內變化，相位測量絕對誤差小于等于2º，具有頻率測量及數(shù)字顯示功能，相位差數(shù)字顯示，要求相位讀數(shù)為0~360º，分辨力為0.1º。</p><p><b>　　測相的原理:</b></p><p>　　如圖2-1所示，，分別為被測網(wǎng)絡的輸入輸出信號，，的相位差是θ=360º，現(xiàn)在對于

24、相位測量儀來說和均未知。通常對于相位差的測量有以下幾種方法：</p><p>　　圖2-1 相位測量原理</p><p>　　2.1.1 示波器測量法</p><p>　　用示波器測量相位差的方法。其測量機理是利用雙線示波器。將兩個信號，分別接到示波器的兩個通道，示波器置雙路顯示方式，同步觸發(fā)源信號選擇兩被測信號之一，最好選擇其中幅度較大的那一個，調節(jié)有關旋

25、鈕，使熒光屏上顯示兩條大小適中的穩(wěn)定波形，如下圖2-2所示，利用熒光屏上的坐標測出信號的一個周期在水平方向所占的長度Xt，然后再測出兩波形上對應點（如過零點、峰值點等）之間的水平距離X，則相位差θ為</p><p><b>　　θ=360º</b></p><p>　　圖 2-2 雙蹤示波法測量相位差</p><p>　　利用示波器

26、的多波顯示，是測量相位差的最直觀、最簡便的方法，而且對所有頻率信號均能進行。尤其適用于測量電路內部的固有位移。但準確度較低。</p><p>　　2.1.2 過零檢測技術法</p><p>　　所謂過零檢測就是采用一種電路或專門技術準確檢測并指示信號的過零點所處位置。它具有以下優(yōu)點：相位信息從正弦信號的過零點提取，因為正弦信號的過零點的導數(shù)有極大值（波形斜率最大），故測量的靈敏度和精度高，

27、它對信號幅度的依賴性?。挥捎诓捎妹}沖鑒相技術，鑒相器的線性很好，即鑒相誤差與被測相位值大小無關；相位計容易實現(xiàn)數(shù)字化和自動化。這種設計技術的實現(xiàn)采用了單片機與CPLD相結合方式。即用單片機完成人機界面、系統(tǒng)控制、信息分析、處理和變換，用CPLD完成數(shù)據(jù)采集及顯示控制邏輯。</p><p>　　2.2 主要原器件介紹。</p><p>　　2.2.1 異或門

28、</p><p>　　異或門（英語：Exclusive-OR gate，簡稱XOR gate，又稱EOR gate、ExOR gate）是數(shù)字邏輯中實現(xiàn)邏輯異或的邏輯門，有2個輸入端、1個輸出端。若兩個輸入的電平相異，則輸出為高電平1；若兩個輸入的電平相同，則輸出為低電平0。</p><p>　　雖然異或不是開關代數(shù)的基本運算之一，但是在實際運用中相當普遍地使用分立的異或門。大多數(shù)開關技術

29、不能直接實現(xiàn)異或功能，而是使用多個門設計，如下圖所示</p><p>　　圖2-1異或門的原理圖</p><p>　　異或門能實現(xiàn)模為2的加法，因此，異或門可以實現(xiàn)計算機中的二進制加法。半加器就是由異或門和與門組成的。</p><p>　　異或門的邏輯函數(shù)如表2-2所示： </p><p>　　表2-2異或門邏輯函數(shù)表<

30、/p><p>　　異或門的常用邏輯符號如下圖所示。對異或門的任何2個信號（輸入或輸出）同時去反，而不改變結果的邏輯功能。在“圈到圈”的設計中，我們選用最能表達要實現(xiàn)的邏輯功能的符號如圖2-3。</p><p>　　圖2-3，異或門的邏輯功能圖</p><p><b>　　邏輯表達式：</b></p><p>　　2.2.2

31、 CD4046鎖相環(huán)</p><p>　　CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其主要特點是：</p><p>　　電源電壓范圍寬（為3V-18V）;</p><p>　　輸入阻抗高（約100MΩ）;</p><p>　　動態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬于微功耗器件。</p><p>

32、;　　圖2-4 是CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式。</p><p>　　表2-5 CD4046引腳功能描述:</p><p>　　CD4046鎖相的意義是相位同步的自動控制,功能是完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán),簡稱PLL。它廣泛應用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術領域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）、低通濾波器三部分組

33、成,如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 鎖相環(huán)的工作流程</p><p>　　下圖2-7是CD4046內部電原理框圖，主要由相位比較1，2，壓控振蕩器（VCO）,線性放大器，源跟隨器，整形電路等部分構成。比較器1采用異或門結構，當兩個輸入信號Ui，Uo的電平狀態(tài)相異時（即一個為高電平，一個為低電平），輸出信號UΨ為高電平；反之，Ui，Uo電平狀態(tài)相同時（即兩個均為高電平，或均為

34、低電平），UΨ輸出為低電平。當Ui，Uo的相位差Δφ在0º-180º范圍內變化時，UΨ的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器1的輸入和輸出信號的波形可知，其輸出信號的頻率等于輸入信號的頻率的兩倍，并且與兩個輸出信號之間的中心頻率保持90º相移。從圖中還可知，fout不一定是對稱波形。對相位比較器1，它要求Ui，Uo的占空比均為50％（即方波），這樣才能使鎖定范圍為最大。</p>&

35、lt;p>　　相位比較器2是一個由信號的上沿控制的數(shù)字存儲網(wǎng)絡。它對輸入信號占空比的要求不高，允許輸入非對稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會鎖定在輸入信號的諧波。它提供數(shù)字誤差信號和鎖定信號（相位脈沖）兩種輸出，當達到鎖定時，它在相位比較器2的兩個輸入信號之間保持0º相移。</p><p>　　對相位比較器2而言，當14引腳的輸入信號比3引腳的比較信號頻率低時，輸出為邏輯“0”；反之則輸出

36、邏輯“1”。如果兩信號的頻率相同而相位不同，當輸出信號的相位滯后于比較信號時，相位比較器2輸出的正脈沖，當相位超前時則輸出為負脈沖。在這兩種情況下，從1腳都有與上述正、負脈沖寬度相同的負脈沖產生。從相位比較器2輸出的正、負脈沖的寬度均等于兩個輸入脈沖上升沿之間的相位差。而當兩個輸入脈沖頻率和相位均相同時，相位比較器2的輸出為高阻態(tài)，則1腳輸出高電平。上述波形如圖2-8所示。由此可見，從1腳輸出信號是負脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個輸入

37、信號的情況了。</p><p>　　CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器，必須外接電容C1和電容R1作為充放電原件。當PLL對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時還需要外接電阻R2。由于VCO是一個電流控制振蕩器，對定時電容C1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的震蕩頻率亦正比于該控制電壓。當VCO控制電壓為0時，其輸出頻率最低；當輸入控制電壓等于電源電壓VDD時，輸出頻率則先行地增大到最高輸出頻

38、率。VCO震蕩頻率的范圍由R1，R2和C1決定。由于它的充電和放電都由同一個電容C1完成，故它的輸出波形是對方波。一般規(guī)定CD4046的最高頻率為1.2MHz（VDD=15V）,若VDD<15V，則fmax要降低一些。</p><p>　　CD4046內部還有線性放大器和整形電路，可將14腳輸入的100mV左右的微弱輸入信號變成方波或脈沖信號送至兩相位比較器。源跟蹤器是增益為1的放大器，VCO的輸出電壓經(jīng)源

39、跟蹤器至10腳作FM解調用。齊納二極管可單獨使用，其穩(wěn)壓值為5V，若與TTL電路匹配時，可用作輔助電源。</p><p>　　綜上所述，CD4046工作原理如下：輸入信號Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進行放大，整形后加到相位比較器1，2的輸入端，圖2-7開關拔至2腳，則比較器1將從3腳輸入的比較信號U0與輸入信號Ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓UΨ則反映出兩者的相位差。UΨ經(jīng)R3，R4及C2濾波后得到

40、一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號頻率f1.VCO的輸出又經(jīng)除法器再進入相位比較器1，繼續(xù)與Ui進行相位比較，最后使得f2=f1,兩者的相位差為一定值，實現(xiàn)了相位鎖定。若開關K撥至13腳，則相位比較器2工作，過程與上述相同。</p><p>　　第三章 電路設計</p><p>　　3.1 信號處理電路</p>

41、<p>　　圖3-1 信號處理電路</p><p>　　電路中，C1是隔直流電容，具有單向導通性能的二極管VD1，VD2是為了防止信號輸入為負的，或者太高的電壓。異或門H1接成反相器，下面并聯(lián)R1電阻形成一個放大器。</p><p>　　+5V的穩(wěn)壓電源保證上輸入端是高電勢。下輸出端通過二極管接地保證電源輸入電壓介于-0.7V-5.7V之間。兩個輸入電源通過異或門放大器輸出，進入

42、相位鎖定電路。</p><p><b>　　信號相位鎖定電路</b></p><p>　　圖3-2 信號相位鎖定電路</p><p>　　下圖為鎖相環(huán)CD4046的電路原理圖</p><p>　　該鎖相環(huán)輸入信號Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進行放大，整形后加到相位比較器1，2的輸入端，圖中開關拔至2腳，則比較器1將從

43、3腳輸入的比較信號U0與輸入信號Ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓UΨ則反映出兩者的相位差。UΨ經(jīng)R3，R4及C2濾波后得到一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號頻率f1.VCO的輸出又經(jīng)除法器再進入相位比較器1，繼續(xù)與Ui進行相位比較，最后使得f2=f1,兩者的相位差為一定值，實現(xiàn)了相位鎖定。若開關K撥至13腳，則相位比較器2工作，過程與上述相同。</p>&

44、lt;p>　　輸入信號通過信號相位鎖定電路轉換為具有固定占空比和振幅為5V的數(shù)字信號。</p><p>　　輸入信號B執(zhí)行與信號A一樣的信號處理以及相位鎖定電路。</p><p><b>　　3.3相位檢測電路</b></p><p>　　輸入信號1，2通過H3進行相位比較，積分器R11和C11對輸出信號進行平均，通過運放輸出端接到反相輸

45、入端，從而接成電壓跟隨器，對輸出起到緩沖的作用。</p><p>　　當源輸入信號A,B相位差愈大，由A1輸出的電壓就俞高。表頭M，電阻R12和微調電位器RP1組成相移指示器，因此用5V的穩(wěn)壓電源為該相位計供電。</p><p>　　第四章 總電路及工作原理</p><p><b>　　4.1 總電路</b></p><

46、p><b>　　4.2 工作原理</b></p><p>　　如圖4-1是CD4046構成的相位計電路，它可以測量兩個頻率相同而相位不同的正弦信號的相位差。電路中，,是隔直流電容，鉗位二極管,,和防止輸入信號為負的或太高的電壓。異或門和接成反相器，而和就是連接在反相器的輸入端和輸出端之間的偏置電阻。因此和偏置為線性放大器，經(jīng)過其放大之后的信號耦合到CD4046(1)和CD4046(2

47、)，CD4046(1)和CD4046(2)跟蹤輸入信號頻率并將其轉換為具有固定占空比（50%）和振幅為5V（峰-峰值）的數(shù)字信號。起相位比較器的作用，其輸出信號由積分器和予以平均。運放的輸出端接到反相器輸入端，接成電壓跟隨器，起緩沖輸出的作用。輸入信號A和B之間的相位差愈大，由輸出的電壓就愈高。表頭M、電阻和微調電位器組成相移指示器，指示的電壓范圍在0到正電源之間，因此，必須用5V穩(wěn)壓源為該相位計供電。進行校準時，將CD4046(1)和

48、CD4046(2)從插座中拔出，將CD4046(1)插座的3腳通過10接地，再將CD4046(2)插座的3腳用相同的電阻接到16腳，接通電源，這時的1腳約為0V，2腳約為+5V，輸出（3腳）應為+5V，可以調節(jié)使表頭M的指示為180º。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]康華光.電子技術基礎 數(shù)字部分（第五版）.[M]北

49、京：高等教育出版社</p><p>　　[2]康華光.電子技術基礎 模擬部分（第五版）.[M]北京：高等教育出版社</p><p>　　[3]肖景和.數(shù)字集成電路應用精粹.[M]北京：人民郵電出版社</p><p>　　[4]翁桂榮 鄒立新.單片微型計算機接口技術.[M]蘇州：蘇州大學出版社</p><p>　　[5]管致中.信號與線性系統(tǒng).

50、[M]北京：高等教育出版社</p><p>　　[6]江月松.光電技術與實驗.[M]北京：北京理工大學出版社</p><p>　　[7]陳希有.電路理論基礎.[M]北京：高等教育出版社</p><p>　　[8]張肅文.高頻電子線路（第五版）.[M]北京：高等教育出版社</p><p><b>　　致謝</b></

51、p><p>　　畢業(yè)論文能夠順利完成，再次我要表達我最誠摯的感謝！</p><p>　　首先要感謝我的指導老師xx老師，從選題到論文的結構到最終的定稿成文，xx老師都給與了我很多的支持和指導，幫助我順利的完成我的本科畢業(yè)論文，并且在寫作的過程中回顧了大學中學到的不少知識，也學到了很多新知識。</p><p>　　其次我要感謝和我寫作相關的文章的作者們，本文的寫作初衷以及