简易线性相位计设计

王 睿, 王毅飞, 王 菲, 杨 罕

(1. 吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012; 2. 中国联合网络通信有限公司 吉林分公司, 长春 130021)

0 引 言

相位是表征正弦信号的三要素之一。对相位的测量应用极其广泛, 比如变电站介损在线监测的基本原理就是监测漏电流与母线电压的相位差[1-3]。目前通用的相位检测电路方案是将待测信号整形成方波, 通过异或门和低通滤波器将待测信号异或后取平均, 输出电压值与相位差的绝对值成正比, 是非线性关系[4-8]。该方案无法直接区分相位的超前与滞后, 给一些应用带来不便。

笔者采用RS(Reset Set)触发器替代异或门, 用一路整形后的待测信号上升沿触发其高电平, 另一路信号的下降沿触发其低电平[9]。此时, RS触发器输出信号的占空比与待测相位差成正比, 经过低通滤波电路后, 输出电压与待测相位差成正比, 符合线性关系。为进一步降低设计成本和电路复杂度, 利用运放进行压流转换[10-14], 经简单调零和电流参数调整, 使相位差与电流输出线性对应, 即-45°对应450 μA, 0°对应0 μA, 45°对应450 μA, 可巧妙利用普通数字万用表电流档测量电路输出, 指示待测信号的相位差。

1 设计原理

图2 线性相位测量原理图中各点波形图Fig.2 Waveform of each point in the linear phase detection diagram

图1 线性相位检测电路原理框图Fig.1 Block diagram of linear phase detection circuit

2 电路设计

笔者采用数字逻辑芯片CD4013结合一片集成运放LM6144实现线性相位设计, 相位测量电路图如图3所示。U2A和U2B分别构成同向过零比较器和反向过零比较器, 将输入的双路正弦波变换成方波。C3,R9,C4和R10构成微分电路, 将方波的上升沿和下降沿变换成正负窄脉冲, 在单电源供电电路中, 正窄脉冲保留, 直接触发CD4013(RS触发器), 产生图2中⑤处占空比与相位差成正比的矩形波, 经过R11和C5构成的低通滤波器, 将RS触发器输出的矩形波积分, 变成直流电压, 此电压值与矩形波占空比成正比, 可表征相位差值。为使用普通数字万用表显示相位差, 用运放U2C对信号进行压流转换。图3中VA,VB分别为运放U2C的同向端和反向端电位,VC为可调电阻R13抽头处电位。由运放虚短、 虚断原理[15],VA=VB, 当VB=VC时, 数字万用表电流档输出为0, 调整R13, 使VC与相位差为零时,VA电压值相等, 完成相位显示的调零任务； 将相位差调整到45°再次测量VA, 调整R12使

图3 相位测量电路图Fig.3 Phase measurement circuit

(1)

成立, 即完成电流值与相位差数值相对应的电路校正。

3 实验数据处理

待测可调节相位差的双路正弦波信号由普源精电DG4202信号源产生。相位计的测量精度由待测信号的频率上限决定, 这里依据运放LM6144性能选择100 kHz正弦波为测试点, 设定双路正弦波的相位差。为降低仪器误差, 采用普源精电MSO2202A双通道200 MHz示波器的相位测量功能, 以多次平均方式校正信号源产生的双路正弦波相位差, 校正值作为相位测量电路的输入； 在图3中数字电流表位置接入数字万用表, 采用FLUKE 12E型号万用表的微安测量档, 测量电流输出值。实验详细数据如表1所示, 经过计算测量相位值得平均偏差为0.3°, 偏差主要由仪器测量误差引起。输入相位差和输出电流特性曲线图如图4所示, 图4表明, 相位计电路在相位差±50°内线性度好, 与图2分析结果相符, 表明笔者设计的相位计电路合理。

表1 实验详细数据

图4 电路输入相位差与输出电流实验结果Fig.4 Experimental results of phase measure circuit

在实验过程中, 为保证相位差在±50°范围内电流测量值对称性好, 需在电路设计时严格筛选图3中C3,C4,R9和R10值, 使微分电路产生的窄脉冲沿信息一致, 准确触发RS触发器, 保证测试结果较好的线性度。

4 结 语

笔者采用触发器和运放设计了一种简单的线性相位检测电路, 将相位的变化转换成电流的线性变化, 利用普通数字万用表的电流测量功能, 实现完整的相位测量, 巧妙显示相位差。通过理论结合实验结果分析表明, 电流的测量结果与相位差成线性关系, 且电路简洁, 设计成本低, 测量相位值平均偏差小于0.3°。