一種帶超前滯后檢測的數字相位差測量儀

楊三三，賈豫東，張曉青

（北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，北京 100101）

一種帶超前滯后檢測的數字相位差測量儀

楊三三，賈豫東，張曉青

（北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，北京 100101）

提出一種帶超前滯后檢測的數字相位差測量儀的實現方法，兩路輸入信號經波形變換電路后，一路通過相位差測量電路、低通濾波器來實現相位差測量，另一路通過超前滯后檢測電路進行相位超前滯后檢測，最后通過AD轉換、MCU控制電路和LCD顯示電路。這種設計不僅實時顯示信號的相位差，同時也顯示出信號相位的超前滯后關系。實驗表明，該數字相位差測量儀鑒相范圍-2π～2π，線性度良好，靈敏度高。該設計具有反應速度快，可靠性高，適用范圍廣等特點，可滿足絕大部分場合對相位差測量的需求。

超前滯后檢測；低通濾波器；相位差；模數轉換

0 引言

相位差測量在通訊電子系統和工業測控等領域中有著重要的作用，電網電能計量中功率因素的確定，涉及了相應電壓與電流間相位差的準確測量[1]；在雷達裝備性能測試中，以獲得一些雷達信號的頻率、方位等特性，而相位式雷達測距系統就是通過測量相位差來計算測量距離[2]。在許多情況下，經常需要對兩路信號進行鑒相，也需要對兩路信號的相位超前滯后關系進行判斷。

鑒相器是很多相位控制系統的核心器件，數字相位差測量法明顯的優點在于能夠提供更寬的鎖定范圍從而使鎖定更可靠。現在常用的數字相位差測量法大多是從頻域上進行處理[3-4]，速度快、精度高，但算法過于復雜，難度大，又不能方便地判斷出信號相位的超前滯后關系。

本文提出了一種帶超前滯后檢測的數字相位差測量儀的實現方法，利用高頻高精度數字鑒相芯片AD9901進行數字相位差測量[5]。同時，利用MC14013B對兩路信號進行相位超前滯后檢測。這樣，不僅測量出了信號的相位差，而且很方便地檢測出了相位超前滯后關系，并進行了實時顯示。

1 系統組成與工作原理

該數字相位差測量儀主要由波形變換電路、超前滯后檢測電路、相位差測量電路、低通濾波器、AD轉換電路、MCU控制電路和LCD顯示電路組成。輸入信號和參考信號分別通過波形變換電路，把正弦波變為方波，一種情況送入超前滯后檢測電路來判斷相位的超前滯后關系，另一種情況把信號送入相位差測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電路的輸出信號一起送入AD轉換電路，經MCU控制電路處理，最后把這兩種情況的測量結果通過LCD進行實時顯示。系統原理框圖如圖1所示。

2 數字相位差測量儀設計

（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生的時間誤差。波形變換電路如圖2所示。

圖1 數字相位差測量儀原理框圖

圖2 波形變換電路

（2）超前滯后檢測

采用MC14013B進行信號相位超前滯后檢測[6]（可參考MC14013B的datasheet），電路簡單，可靠性高，其具體電路如圖3所示。

首先設置RSTA和SETA端接地。u1和u2是兩輸入信號，當u1超前u2時，在CLKA端第一個上升沿到來時，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，發光二極管D1亮，并且隨后所有CLKA端信號的上升沿到來時，DATAA端都處在高電平，QA端一直為高電平。同理，當u1滯后u2時，CLKA端的上升沿到來時，DATAA端處在低電平，則輸出QA端為低電平，端為高電平，發光二極管D2亮，并且隨后所有CLKA端信號的上升沿到達時，DATAA端都處在低電平，端一直為高電平。這樣根據哪一個二極管發光就可以判斷出兩路同頻信號的相位超前滯后關系了。

（3）相位差測量

AD9901是一款超高速數字鑒頻鑒相器，當輸入兩路同頻信號時，它就工作在鑒相模式下（可參考AD9901的datasheet）。輸出信號占空比與兩個輸入信號的相位差相對應，且在-2π～0內隨相位差線性增加，其輸出信號的占空比θ為：

用好AD9901的關鍵是退耦，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，流過電阻的電流與最大輸出電流相等。相位差測量電路如圖4所示。

圖3 超前滯后檢測電路

圖4 AD9901相位差測量電路

（4）低通濾波

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

圖5 三階RC低通濾波器

（5）AD轉換

TLC2543是TI公司生產的12位開關電容逐次逼近AD轉換器[8]，轉換速度快，穩定性好，與MCU接口簡單。TLC2543由于二進制數的位數是12位，所以精度高，可以精確地進行模數轉換。它把低通濾波后的直流電壓轉換為數字信號給MCU控制電路進行處理，電路如圖6所示。

圖6 AD轉換電路

（6）MCU和LCD顯示

89C51單片機雖然是8位單片機，但完全可以滿足處理要求，MCU最小系統電路如圖7所示。并通過LCD1602進行顯示，可以很直觀地觀察到所測量的相位差以及判斷信號相位超前滯后關系，LCD1602顯示電路如圖8所示。

圖7 MCU最小系統電路

圖8 LCD1602顯示電路

3 實驗結果及分析

（1）相位超前滯后測試

實驗過程中，設置信號發生器產生兩路頻率都為500KHz，相位超前滯后的等幅正弦波信號，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。實際測試結果符合理論值，這樣就把兩路信號相位的超前滯后關系判斷出來了。

（2）AD9901輸出波形與相位差關系測試

設置信號發生器產生兩路頻率都為500KHz，相位差分別為-60°和-210°的等幅正弦波信號，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，AD9901輸出信號的占空比理論上分別為83.3%和41.7%，實際測試結果符合理論值，這樣就把兩路信號的相位差轉變為了不同占空比的方波信號。

（3）輸出電壓與相位差關系測試

設置信號發生器產生兩路輸出頻率都為10MHz的等幅正弦波，然后一路信號相位固定為0°，另一路信號相位每30°遞增至360°，輸出電壓隨相位差變化曲線如圖11所示。這樣就把兩路信號的相位差轉換為直流電壓。

圖11 不同相位差下的輸出電壓曲線

4 結語

本文提出了一種基于AD9901的帶超前滯后檢測的數字相位差測量儀，滿足了-2π～2π范圍內鑒相的需求以及相位超前滯后關系的判斷。從方案確定到最后的軟硬件設計和調試。實驗結果顯示，該數字相位差測量儀鑒相范圍-2π～2π，并帶有超前滯后檢測功能，線性度良好，同時又進行了實時顯示，可以很直觀地觀看到相位差以及相位的超前滯后關系。下一步將對高精度、高線性度和寬范圍相位差測量進行設計，同時使電路更穩定，適用范圍更廣。

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

[2]賈方秀，丁振良，袁峰．基于數字同步解調原理的相位差測量新方法[J].儀表技術與傳感器，2009（4）:78-80．

[3]張鴻博，蔡曉峰，魯改鳳.基于全相位FFT改進相位差法的自動準同期并列參數測量[J].電力系統保護與控制，2016，4（44）:76-83.

[4]沈廷鰲，涂亞慶，張海濤，等．基于矩形雙窗的滑動DTFT高精度相位差測量算法[J]．中南大學學報（自然科學版），2015，46（2）: 554-560．

[5]黃繼江，王彥瑜.基于AD9901的高頻高精度相位測量儀的研制[J].核電子學與探測技術，2007,27（5）:901-904.

[6]徐云，楊川，呂庚，等.一種簡便的相位超前滯后指示儀[J].實驗技術與管理，2001,3（18）:48-50.

[7]華成英，童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[8]姚遠，王賽，凌毓濤.TLC2543在89C51單片機數據采集系統中的應用[J].電子工程師，2003,29（9）:37-38.

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，河南洛陽人，在讀研究生，研究方向為嵌入式測控技術

2016-10-25

2016-12-15

北京市教育委員會科技計劃面上項目（No.KM201411232005）、青年拔尖人才培育計劃（No.CIT&TCD201404122）

賈豫東（1975-），男，博士，副教授，研究方向為光電檢測技術

張曉青（1967-），女，博士，副教授，研究方向為光纖傳感技術