一種帶超前滯后檢測(cè)的數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x

楊三三，賈豫東，張曉青

（北京信息科技大學(xué)光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

一種帶超前滯后檢測(cè)的數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x

楊三三，賈豫東，張曉青

（北京信息科技大學(xué)光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

提出一種帶超前滯后檢測(cè)的數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x的實(shí)現(xiàn)方法，兩路輸入信號(hào)經(jīng)波形變換電路后，一路通過(guò)相位差測(cè)量電路、低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)相位差測(cè)量，另一路通過(guò)超前滯后檢測(cè)電路進(jìn)行相位超前滯后檢測(cè)，最后通過(guò)AD轉(zhuǎn)換、MCU控制電路和LCD顯示電路。這種設(shè)計(jì)不僅實(shí)時(shí)顯示信號(hào)的相位差，同時(shí)也顯示出信號(hào)相位的超前滯后關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，該數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x鑒相范圍-2π～2π，線性度良好，靈敏度高。該設(shè)計(jì)具有反應(yīng)速度快，可靠性高，適用范圍廣等特點(diǎn)，可滿足絕大部分場(chǎng)合對(duì)相位差測(cè)量的需求。

超前滯后檢測(cè)；低通濾波器；相位差；模數(shù)轉(zhuǎn)換

0 引言

相位差測(cè)量在通訊電子系統(tǒng)和工業(yè)測(cè)控等領(lǐng)域中有著重要的作用，電網(wǎng)電能計(jì)量中功率因素的確定，涉及了相應(yīng)電壓與電流間相位差的準(zhǔn)確測(cè)量[1]；在雷達(dá)裝備性能測(cè)試中，以獲得一些雷達(dá)信號(hào)的頻率、方位等特性，而相位式雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)就是通過(guò)測(cè)量相位差來(lái)計(jì)算測(cè)量距離[2]。在許多情況下，經(jīng)常需要對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行鑒相，也需要對(duì)兩路信號(hào)的相位超前滯后關(guān)系進(jìn)行判斷。

鑒相器是很多相位控制系統(tǒng)的核心器件，數(shù)字相位差測(cè)量法明顯的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供更寬的鎖定范圍從而使鎖定更可靠?，F(xiàn)在常用的數(shù)字相位差測(cè)量法大多是從頻域上進(jìn)行處理[3-4]，速度快、精度高，但算法過(guò)于復(fù)雜，難度大，又不能方便地判斷出信號(hào)相位的超前滯后關(guān)系。

本文提出了一種帶超前滯后檢測(cè)的數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x的實(shí)現(xiàn)方法，利用高頻高精度數(shù)字鑒相芯片AD9901進(jìn)行數(shù)字相位差測(cè)量[5]。同時(shí)，利用MC14013B對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行相位超前滯后檢測(cè)。這樣，不僅測(cè)量出了信號(hào)的相位差，而且很方便地檢測(cè)出了相位超前滯后關(guān)系，并進(jìn)行了實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

該數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x主要由波形變換電路、超前滯后檢測(cè)電路、相位差測(cè)量電路、低通濾波器、AD轉(zhuǎn)換電路、MCU控制電路和LCD顯示電路組成。輸入信號(hào)和參考信號(hào)分別通過(guò)波形變換電路，把正弦波變?yōu)榉讲ǎ环N情況送入超前滯后檢測(cè)電路來(lái)判斷相位的超前滯后關(guān)系，另一種情況把信號(hào)送入相位差測(cè)量電路和低通濾波器，得到所需的直流電壓，再把此直流電壓和超前滯后檢測(cè)電路的輸出信號(hào)一起送入AD轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)MCU控制電路處理，最后把這兩種情況的測(cè)量結(jié)果通過(guò)LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

（1）波形變換

波形變換電路采用了ADI公司的超高速雙路比較器AD8612，由于它的傳輸延遲極短，可以極大地減小波形變換所產(chǎn)生的時(shí)間誤差。波形變換電路如圖2所示。

圖1 數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x原理框圖

圖2 波形變換電路

（2）超前滯后檢測(cè)

采用MC14013B進(jìn)行信號(hào)相位超前滯后檢測(cè)[6]（可參考MC14013B的datasheet），電路簡(jiǎn)單，可靠性高，其具體電路如圖3所示。

首先設(shè)置RSTA和SETA端接地。u1和u2是兩輸入信號(hào)，當(dāng)u1超前u2時(shí)，在CLKA端第一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，DATAA端處在高電平，由MC14013B的真值表可知，輸出QA端為高電平，端為低電平，發(fā)光二極管D1亮，并且隨后所有CLKA端信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，DATAA端都處在高電平，QA端一直為高電平。同理，當(dāng)u1滯后u2時(shí)，CLKA端的上升沿到來(lái)時(shí)，DATAA端處在低電平，則輸出QA端為低電平，端為高電平，發(fā)光二極管D2亮，并且隨后所有CLKA端信號(hào)的上升沿到達(dá)時(shí)，DATAA端都處在低電平，端一直為高電平。這樣根據(jù)哪一個(gè)二極管發(fā)光就可以判斷出兩路同頻信號(hào)的相位超前滯后關(guān)系了。

（3）相位差測(cè)量

AD9901是一款超高速數(shù)字鑒頻鑒相器，當(dāng)輸入兩路同頻信號(hào)時(shí)，它就工作在鑒相模式下（可參考AD9901的datasheet）。輸出信號(hào)占空比與兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差相對(duì)應(yīng)，且在-2π～0內(nèi)隨相位差線性增加，其輸出信號(hào)的占空比θ為：

用好AD9901的關(guān)鍵是退耦，正相和倒相輸出引腳電阻接的電源要有良好的退耦電容布置，其它部分也需要合理的退耦電容布置。Rset引腳接電阻到地，流過(guò)電阻的電流與最大輸出電流相等。相位差測(cè)量電路如圖4所示。

圖3 超前滯后檢測(cè)電路

圖4 AD9901相位差測(cè)量電路

（4）低通濾波

通過(guò)采用低通濾波器，把AD9901輸出的不同占空比方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電平均值。為了達(dá)到更好的濾波效果，采用RC三階低通濾波器[7]，來(lái)更好的消除噪聲以及信號(hào)的交流分量，以滿足后續(xù)電路要求。其具體電路如圖5所示。

圖5 三階RC低通濾波器

（5）AD轉(zhuǎn)換

TLC2543是TI公司生產(chǎn)的12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近AD轉(zhuǎn)換器[8]，轉(zhuǎn)換速度快，穩(wěn)定性好，與MCU接口簡(jiǎn)單。TLC2543由于二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)是12位，所以精度高，可以精確地進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。它把低通濾波后的直流電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)給MCU控制電路進(jìn)行處理，電路如圖6所示。

圖6 AD轉(zhuǎn)換電路

（6）MCU和LCD顯示

89C51單片機(jī)雖然是8位單片機(jī)，但完全可以滿足處理要求，MCU最小系統(tǒng)電路如圖7所示。并通過(guò)LCD1602進(jìn)行顯示，可以很直觀地觀察到所測(cè)量的相位差以及判斷信號(hào)相位超前滯后關(guān)系，LCD1602顯示電路如圖8所示。

圖7 MCU最小系統(tǒng)電路

圖8 LCD1602顯示電路

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）相位超前滯后測(cè)試

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路頻率都為500KHz，相位超前滯后的等幅正弦波信號(hào)，分別是u1和u2。QA端接示波器CH1通道，端接示波器CH2通道。用示波器觀察到的輸出波形，如圖9中（a）、（b）所示。

圖9

u1超前u2，CH1通道輸出高電平，CH2通道輸出低電平；u1滯后u2，CH1通道輸出低電平，CH2通道輸出高電平。實(shí)際測(cè)試結(jié)果符合理論值，這樣就把兩路信號(hào)相位的超前滯后關(guān)系判斷出來(lái)了。

（2）AD9901輸出波形與相位差關(guān)系測(cè)試

設(shè)置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路頻率都為500KHz，相位差分別為-60°和-210°的等幅正弦波信號(hào)，用示波器觀察到的輸出波形，如圖10中（a）、（b）所示。

圖10

由式（1）可知，在相位差分別為-60°和-210°時(shí)，AD9901輸出信號(hào)的占空比理論上分別為83.3%和41.7%，實(shí)際測(cè)試結(jié)果符合理論值，這樣就把兩路信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)榱瞬煌伎毡鹊姆讲ㄐ盘?hào)。

（3）輸出電壓與相位差關(guān)系測(cè)試

設(shè)置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路輸出頻率都為10MHz的等幅正弦波，然后一路信號(hào)相位固定為0°，另一路信號(hào)相位每30°遞增至360°，輸出電壓隨相位差變化曲線如圖11所示。這樣就把兩路信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換為直流電壓。

圖11 不同相位差下的輸出電壓曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于AD9901的帶超前滯后檢測(cè)的數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x，滿足了-2π～2π范圍內(nèi)鑒相的需求以及相位超前滯后關(guān)系的判斷。從方案確定到最后的軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x鑒相范圍-2π～2π，并帶有超前滯后檢測(cè)功能，線性度良好，同時(shí)又進(jìn)行了實(shí)時(shí)顯示，可以很直觀地觀看到相位差以及相位的超前滯后關(guān)系。下一步將對(duì)高精度、高線性度和寬范圍相位差測(cè)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)使電路更穩(wěn)定，適用范圍更廣。

[1]吳靜，趙偉.適用于非同步采樣的相位差準(zhǔn)確測(cè)量方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（7）:73-76．

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A Digital Phase Difference Measuring Instrument with Lead and Lag Detection

YANG San-san，JIA Yu-dong，ZHANG Xiao-qing
（Key Laboratory of Photoelectric Test Technology,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100101）

Presents the implementation of a digital phase difference measuring instrument with lead and lag detection.After the waveform transform circuit,one way,through phase difference measuring circuit,low pass filter,the function of phase difference measurement is realized. Another way,the circuit with lead and lag detection is used to detect.Finally through the AD conversion,MCU control circuit and LCD display circuit.This design displays the discrimination in real time,and also displays the signal’s relation with lead and lag in real time. The experiment results show that the phase can reach-2π～2π,good linearity,high sensitivity.The design has the characteristics of fast response,high reliability and wide application range,which can meet the requirement of the measurement of phase difference in most occasions.

Lead and Lag Detection;Low Pass Filter;Phase Difference;Analog to Digital Conversion

1007-1423（2016）36-0067-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.36.017

楊三三（1992-），男，河南洛陽(yáng)人，在讀研究生，研究方向?yàn)榍度胧綔y(cè)控技術(shù)

2016-10-25

2016-12-15

北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（No.KM201411232005）、青年拔尖人才培育計(jì)劃（No.CIT&TCD201404122）

賈豫東（1975-），男，博士，副教授，研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)技術(shù)

張曉青（1967-），女，博士，副教授，研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù)