王 睿, 王毅飛, 王 菲, 楊 罕

(1. 吉林大學 電子科學與工程學院, 長春 130012; 2. 中國聯合網絡通信有限公司 吉林分公司, 長春 130021)

0 引 言

相位是表征正弦信號的三要素之一。對相位的測量應用極其廣泛, 比如變電站介損在線監(jiān)測的基本原理就是監(jiān)測漏電流與母線電壓的相位差[1-3]。目前通用的相位檢測電路方案是將待測信號整形成方波, 通過異或門和低通濾波器將待測信號異或后取平均, 輸出電壓值與相位差的絕對值成正比, 是非線性關系[4-8]。該方案無法直接區(qū)分相位的超前與滯后, 給一些應用帶來不便。

筆者采用RS(Reset Set)觸發(fā)器替代異或門, 用一路整形后的待測信號上升沿觸發(fā)其高電平, 另一路信號的下降沿觸發(fā)其低電平[9]。此時, RS觸發(fā)器輸出信號的占空比與待測相位差成正比, 經過低通濾波電路后, 輸出電壓與待測相位差成正比, 符合線性關系。為進一步降低設計成本和電路復雜度, 利用運放進行壓流轉換[10-14], 經簡單調零和電流參數調整, 使相位差與電流輸出線性對應, 即-45°對應450 μA, 0°對應0 μA, 45°對應450 μA, 可巧妙利用普通數字萬用表電流檔測量電路輸出, 指示待測信號的相位差。

1 設計原理

圖2 線性相位測量原理圖中各點波形圖Fig.2 Waveform of each point in the linear phase detection diagram

圖1 線性相位檢測電路原理框圖Fig.1 Block diagram of linear phase detection circuit

2 電路設計

筆者采用數字邏輯芯片CD4013結合一片集成運放LM6144實現線性相位設計, 相位測量電路圖如圖3所示。U2A和U2B分別構成同向過零比較器和反向過零比較器, 將輸入的雙路正弦波變換成方波。C3,R9,C4和R10構成微分電路, 將方波的上升沿和下降沿變換成正負窄脈沖, 在單電源供電電路中, 正窄脈沖保留, 直接觸發(fā)CD4013(RS觸發(fā)器), 產生圖2中⑤處占空比與相位差成正比的矩形波, 經過R11和C5構成的低通濾波器, 將RS觸發(fā)器輸出的矩形波積分, 變成直流電壓, 此電壓值與矩形波占空比成正比, 可表征相位差值。為使用普通數字萬用表顯示相位差, 用運放U2C對信號進行壓流轉換。圖3中VA,VB分別為運放U2C的同向端和反向端電位,VC為可調電阻R13抽頭處電位。由運放虛短、 虛斷原理[15],VA=VB, 當VB=VC時, 數字萬用表電流檔輸出為0, 調整R13, 使VC與相位差為零時,VA電壓值相等, 完成相位顯示的調零任務； 將相位差調整到45°再次測量VA, 調整R12使

圖3 相位測量電路圖Fig.3 Phase measurement circuit

(1)

成立, 即完成電流值與相位差數值相對應的電路校正。

3 實驗數據處理

待測可調節(jié)相位差的雙路正弦波信號由普源精電DG4202信號源產生。相位計的測量精度由待測信號的頻率上限決定, 這里依據運放LM6144性能選擇100 kHz正弦波為測試點, 設定雙路正弦波的相位差。為降低儀器誤差, 采用普源精電MSO2202A雙通道200 MHz示波器的相位測量功能, 以多次平均方式校正信號源產生的雙路正弦波相位差, 校正值作為相位測量電路的輸入； 在圖3中數字電流表位置接入數字萬用表, 采用FLUKE 12E型號萬用表的微安測量檔, 測量電流輸出值。實驗詳細數據如表1所示, 經過計算測量相位值得平均偏差為0.3°, 偏差主要由儀器測量誤差引起。輸入相位差和輸出電流特性曲線圖如圖4所示, 圖4表明, 相位計電路在相位差±50°內線性度好, 與圖2分析結果相符, 表明筆者設計的相位計電路合理。

表1 實驗詳細數據

圖4 電路輸入相位差與輸出電流實驗結果Fig.4 Experimental results of phase measure circuit

在實驗過程中, 為保證相位差在±50°范圍內電流測量值對稱性好, 需在電路設計時嚴格篩選圖3中C3,C4,R9和R10值, 使微分電路產生的窄脈沖沿信息一致, 準確觸發(fā)RS觸發(fā)器, 保證測試結果較好的線性度。

4 結 語

筆者采用觸發(fā)器和運放設計了一種簡單的線性相位檢測電路, 將相位的變化轉換成電流的線性變化, 利用普通數字萬用表的電流測量功能, 實現完整的相位測量, 巧妙顯示相位差。通過理論結合實驗結果分析表明, 電流的測量結果與相位差成線性關系, 且電路簡潔, 設計成本低, 測量相位值平均偏差小于0.3°。