相位检测电路的设计与分析(附件)【字数：6487】
摘 要相位差是现代电子科学技术、工业生产、通信行业等领域经常出现的需要测量的参数，例如测量电路的谐振特性、传输特性、延时特性等等。而相位差的测量又有别于传统的电流、电压信号或温度量的测量。首先，与传统的温度测量和电压电路采集不同，相位差存在于电子信号中，所以实际电路中电路的参数变化及电路的损耗对相位差的测量有较大影响。另一点非常重要的是，相位差其实是一个比较量，主要是比较两个同频信号之间相位的差值。因此需要排除其他很多可能影响测量的因素。所以说，如何精确可靠地对相位差做好测量是一个很值得研究的问题。为了实现本课题的技术要求，从相位差的检测方法入手，设计了一个基于运算放大器和异或门的相位差检测电路，该电路可检测两个同频输入信号之间存在的相位差。并判断相位差的正负。通过PROTUES软件绘制相位检测电路，进行了电流的仿真实验。该软件有着非常丰富的元件库,可以对元件的精度进行具体细致的设置,这使得仿真结果更真实。在仿真的过程中，通过不断的调试，对每一个器件的性能更加熟悉，仿真出比较良好的相位差波形。
目 录
第一章 引言 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2发展现状与发展趋势 2
1.2.1国外发展现状 2
1.2.2国内发展现状 3
1.3设计方案及要求 6
第二章 电路的设计 7
2.1原理图的设计 7
2.1.1过零比较器 7
2.1.2异或门 8
2.2电路原理的分析 8
2.3电路的实现 11
第三章 电路仿真 13
3.1仿真与调试 13
3.2相位差的计算与分析 14
3.3相位差正负的判断 15
3.4实验分析 17
结束语 18
致 谢 19
参考文献 20
第一章 引言
1.1研究的背景及意义
现代微型计算机和电子科学技术的发展迅速，信号的相位及相位差检测技术已成为现代科技社会不可或缺的一部分。相位差检测的重要意义在很多方面有所体现，其中包括信息的收集、信号的测量和控制等等方面，特别是在产业自动化行业、电子电力行 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
业、机械自动化和其他的通讯电子行业等方面有着极其广泛应用。例如：
测定电路的谐振特性。即电路若发生谐振，则该电路输入的两个信号的相位为零（L、C两端电压同等而相位相反）。所以，可以由相位差来测定该电路是否发生谐振。
检测信延时特性。经由检测信号的相位差，可验证其延时特性。
检测传输特性。采集信号的相频和幅频特点，可借此由相位差来分析其传输特性。
SAW传感器电路的重要组成部分。传感器通过对生物声波采集转换为数字波，并通过其相位差检测部分进行分析和检测。
激光测距的重要组成部分。因为数字信号相代替了以往的模拟信号从而大大提高了测量精度，所以相位测距适合短量程的高精度测量。
综上所述，相位差检测电路在我们实际生活中的应用范围非常广，包括了电子仪器仪表、软件通信行业、电力电子系统信号测量、激光测距领域以及相控聚焦系统中，也是大学生电子设计大赛经常采用的培训题目之一。相位检测技术是电子测量、通信信号检测与处理的关键技术[15]。
1.2发展现状与发展趋势
1.2.1国外发展现状
国外对于相位检测的研究起步比较早，比如英国、俄罗斯、德国尤其美国在该技术一直处于领先地位。如美国的Analog Devices Inc（简称ADI）、德国德图、日本横河等公司在相位差测量技术方面取得优异的成就，如图11所示，ADI AD8302型相位测量的单片集成电路芯片，能同时测量两个输入信号之间的幅度比和相位差，其输入信号的频率从低频到最高2.7GHz的范围都可以测得，可应用于RF/IF功率放大器线性比的测量、RF功率的精确控制、驻波比测量及远程系统的监视和诊断等。如图12所示，美国CH公司最新推出分辨率0.001°的数字相位计,是迄今最好的相位计,精度0.020°,频率响应：5Hz1MHz,输入10mV630Vrms，绝缘输入，80DB的谐波抑制，保留IEEE488，增加了usb接口。
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图11 AD8302型相位测量芯片
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图12 CH6000A高精度相位计
进口的产品特点主要是可以测量的参数比较多，包括幅值、相位、频率、周期等参数都能一并测量，还有重要的一点是他们产品的测量精度较高，利用非常先进的数字芯片（图11），这样的优点是频率范围宽、检测精度高、耐干扰性好。
随着现代科学技术的发展，相位差的检测方法越来越多样化。传统方法是基于二极管相位鉴别法，脉冲计数法，矢量法等多种模拟装置。但他们的缺点更像是：检测系统越来越复杂，硬件成本越高，抗干扰能力差，测量精度越来越难改善。由于数字信号处理技术和计算机技术的发展，基于数据采集和软件计算的相位差数字测量方法。
为了检测电信网络正弦信号的相位差，信号处理中常用的方法包括相关方法，频谱分析方法，过零方法等。频谱分析方法主要采用离散傅里叶变换的原理将时域信号变换为频域，然后根据相频特性确定两个信号的相位差。过零法的准确性主要取决于数据收集过程中采样间隔的大小，更容易受到外部因素的影响。相关分析是在时域上对与计算相关的两个信号进行相关，然后得到相位差。频谱分析及相关方法具有抗干扰能力较强的优点。它们基本上使用三角函数的正交性，并且在同步采样（或“全周期采样”）条件下具有高精度。对于相关分析方法，频谱分析方法具有同时测量交流信号的相位，幅度和频率参数的优点，在工程中具有广泛的应用[610]。
1.2.2国内发展现状
同外国的技术比较，我们国家在这些项目的研究上相对落后，在上世纪六、七十年代，相位检测技术才在我国起步，并在之后的几十年取得了较大的成就，但是测量精度相对低、使用的频率范围窄以及采用的器件、方法和技术与国外相比还是有很大的差距。
随着国内的技术发展迅速，我国相位计产品技术得到了快速提高，例如上海旺平电气有限公司生产的WP9066A多功能相位计，如图13所示，这个相位计可用表或者数字液晶屏显示。该相位计主要参数如表11所示，其优点有：频率高、相位测量范围大、测量精度相对较高等，其功能主要用于双电力系统，测量交流电流，电压两电压之间，两电流之间，及电压、电流之间的相位角度。
目 录
第一章 引言 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2发展现状与发展趋势 2
1.2.1国外发展现状 2
1.2.2国内发展现状 3
1.3设计方案及要求 6
第二章 电路的设计 7
2.1原理图的设计 7
2.1.1过零比较器 7
2.1.2异或门 8
2.2电路原理的分析 8
2.3电路的实现 11
第三章 电路仿真 13
3.1仿真与调试 13
3.2相位差的计算与分析 14
3.3相位差正负的判断 15
3.4实验分析 17
结束语 18
致 谢 19
参考文献 20
第一章 引言
1.1研究的背景及意义
现代微型计算机和电子科学技术的发展迅速，信号的相位及相位差检测技术已成为现代科技社会不可或缺的一部分。相位差检测的重要意义在很多方面有所体现，其中包括信息的收集、信号的测量和控制等等方面，特别是在产业自动化行业、电子电力行 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
业、机械自动化和其他的通讯电子行业等方面有着极其广泛应用。例如：
测定电路的谐振特性。即电路若发生谐振，则该电路输入的两个信号的相位为零（L、C两端电压同等而相位相反）。所以，可以由相位差来测定该电路是否发生谐振。
检测信延时特性。经由检测信号的相位差，可验证其延时特性。
检测传输特性。采集信号的相频和幅频特点，可借此由相位差来分析其传输特性。
SAW传感器电路的重要组成部分。传感器通过对生物声波采集转换为数字波，并通过其相位差检测部分进行分析和检测。
激光测距的重要组成部分。因为数字信号相代替了以往的模拟信号从而大大提高了测量精度，所以相位测距适合短量程的高精度测量。
综上所述，相位差检测电路在我们实际生活中的应用范围非常广，包括了电子仪器仪表、软件通信行业、电力电子系统信号测量、激光测距领域以及相控聚焦系统中，也是大学生电子设计大赛经常采用的培训题目之一。相位检测技术是电子测量、通信信号检测与处理的关键技术[15]。
1.2发展现状与发展趋势
1.2.1国外发展现状
国外对于相位检测的研究起步比较早，比如英国、俄罗斯、德国尤其美国在该技术一直处于领先地位。如美国的Analog Devices Inc（简称ADI）、德国德图、日本横河等公司在相位差测量技术方面取得优异的成就，如图11所示，ADI AD8302型相位测量的单片集成电路芯片，能同时测量两个输入信号之间的幅度比和相位差，其输入信号的频率从低频到最高2.7GHz的范围都可以测得，可应用于RF/IF功率放大器线性比的测量、RF功率的精确控制、驻波比测量及远程系统的监视和诊断等。如图12所示，美国CH公司最新推出分辨率0.001°的数字相位计,是迄今最好的相位计,精度0.020°,频率响应：5Hz1MHz,输入10mV630Vrms，绝缘输入，80DB的谐波抑制，保留IEEE488，增加了usb接口。
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图11 AD8302型相位测量芯片
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图12 CH6000A高精度相位计
进口的产品特点主要是可以测量的参数比较多，包括幅值、相位、频率、周期等参数都能一并测量，还有重要的一点是他们产品的测量精度较高，利用非常先进的数字芯片（图11），这样的优点是频率范围宽、检测精度高、耐干扰性好。
随着现代科学技术的发展，相位差的检测方法越来越多样化。传统方法是基于二极管相位鉴别法，脉冲计数法，矢量法等多种模拟装置。但他们的缺点更像是：检测系统越来越复杂，硬件成本越高，抗干扰能力差，测量精度越来越难改善。由于数字信号处理技术和计算机技术的发展，基于数据采集和软件计算的相位差数字测量方法。
为了检测电信网络正弦信号的相位差，信号处理中常用的方法包括相关方法，频谱分析方法，过零方法等。频谱分析方法主要采用离散傅里叶变换的原理将时域信号变换为频域，然后根据相频特性确定两个信号的相位差。过零法的准确性主要取决于数据收集过程中采样间隔的大小，更容易受到外部因素的影响。相关分析是在时域上对与计算相关的两个信号进行相关，然后得到相位差。频谱分析及相关方法具有抗干扰能力较强的优点。它们基本上使用三角函数的正交性，并且在同步采样（或“全周期采样”）条件下具有高精度。对于相关分析方法，频谱分析方法具有同时测量交流信号的相位，幅度和频率参数的优点，在工程中具有广泛的应用[610]。
1.2.2国内发展现状
同外国的技术比较，我们国家在这些项目的研究上相对落后，在上世纪六、七十年代，相位检测技术才在我国起步，并在之后的几十年取得了较大的成就，但是测量精度相对低、使用的频率范围窄以及采用的器件、方法和技术与国外相比还是有很大的差距。
随着国内的技术发展迅速，我国相位计产品技术得到了快速提高，例如上海旺平电气有限公司生产的WP9066A多功能相位计，如图13所示，这个相位计可用表或者数字液晶屏显示。该相位计主要参数如表11所示，其优点有：频率高、相位测量范围大、测量精度相对较高等，其功能主要用于双电力系统，测量交流电流，电压两电压之间，两电流之间，及电压、电流之间的相位角度。
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