简易数字相位计2

四川大学网络教育学院实验报告实验名称: 电工电子综合实践9001学习中心万州奥鹏中心姓名刘德春学号************实验内容:一、L、C元件上电流电压的相位关系二、虚拟一阶RC电路三、用数字电桥测交流参数.四、算术运算电路五、计数器六、触发器实验报告一L、C元件上电流电压的相位关系院校：四川大学电气信息学院专业：电气工程及其自动化实验人：刘德春，同组人：戴晓冬时间：2010年2月6日一、实验目的1、在正弦电压激励下研究L、C元件上电流，电压的大小和它们的相位关系，以及输入信号的频率对它们的影响。

2、学习示波器、函数发生器以及数字相位仪的使用二、仪器仪表目录1、交流电流表、交流电压表2、数字相位计三、实验线路、实验原理和操作步骤操作步骤：1、调节ZH-12实验台上的交流电源，使其输出交流电源电压值为220V。

2、按电路图接线，先自行检查接线是否正确，并经教师检查无误后通电3、用示波器观察电感两端电压u L和电阻两端u R的波形,由于电阻上电压与电流同相位，因此从观察相位的角度出发，电阻上电压的波形与电流的波形是相同的，而在数值上要除以“R”。

仔细调节示波器，观察屏幕上显示的波形，并将结果记录操作步骤：1、调节ZH-12实验台上的交流电源，使其输出交流电源电压值为24V。

2、按图电路图接线，先自行检查接线是否正确，并经教师检查无误后通电。

3、用示波器的观察电容两端电压u C和电阻两端电压u R的波形，（原理同上）。

仔细调节示波器，观察屏幕上显示的波形四、实验结果：1、在电感电路中，电感元件电流强度跟电压成正比，即I∝U.用1/（X L）作为比例恒量，写成等式，就得到I=U/（X L）这就是纯电感电路中欧姆定律的表达式。

电压超前电路90°。

分析：当交流电通过线圈时，在线圈中产生感应电动势。

根据电磁感应定律，感应电动势为die L dt=-（负号说明自感电动势的实际方向总是阻碍电流的变化）。

HG4181型数字相位计简易说明书1．概述HG4181型智能数字相位计，是一种可测正弦波、方波、三角波三种波形的测相仪器，由于采用微处理器控制及自动换档，所以，本仪器在使用时具有最简单的操作。

2． 技术要求2.1 量程：-180.00°～ +180.00°2.2 频率范围：10Hz ～ 250KHz2.3 相位测量误差：当被测两路同为正弦波信号失真低于0.17%且输入幅度有效值100Hz～50KHz为1V （不含50KHz）50KHz～100KHz为3V时，在基准条件下，不同频率的相位误差为： 100Hz～500Hz ±0.5°500Hz～5KHz ±0.1°±Φ/100 * 0.25°(当被测角度Φ≤1°时精度为 ±0.5°)5KHz～20KHz ±1°20KHz～100KHz ±1.2°2.4 影响误差(a) 温度附加误差：0.03°/℃(b)幅相误差： 500Hz～5KHz每变化20dB不大于1°。

当某一路输入幅度小于200mv时再附加1.5°。

2.5 分辨力：0.05°2.6 读数稳定度：100Hz～1KHz为±0.5° 1KHz～100KHz为±0.1°2.7 显示与极性四位半数字和小数点组成并自动显示正、负极性,显示数字的单位为度。

2.8 输入阻抗：10V以下为1MΩ,10V以上为10KΩ。

输入幅度:50mV～120V2.9 电源电压：220V±10% 频率 50Hz±5%3. 工作原理两路信号通过参考通道,信号通道各自的放大/衰减器,输出经检相后进行电压滤波,输入A/D转换器,经微处理器进行数据处理后送入显示器。

4. 使用说明4.1仪器通电前,应先进行外观检查,确认外观无损伤及控制开关正常后,在技术条件下,通电工作。

数字相位计介绍数字相位计是利⽤数字信号处理技术显⽰频信号之间相位差，数字相位计具有具有读数⽅便、精度⾼、测量速度快，能有效地运⽤于信号参数的进⾏⾼精度测量,可实现复杂测量算法提供保证。

相位计是测量相位差的仪器,数字式相位测量仪就是专门测量低频信号的相位差，⼀般频率是100Hz以内的正弦频率信号，⾼精度相位计⼀般是指测量精度特别⾼，⼀般测量精度在0.2度以内，⽽相位差则是研究两个相同频率交流信号之间关系的重要指标,相位差的测量在⾃动控制以及通讯电⼦等领域有着⾮常⼴泛的应⽤。

随着科技的发展，各领域迫切的需要⾼精度⾼性能的相位测量系统，尤其在⼀些特殊⾏业或领域，必须依靠数字相位计进⾏测量，由此可见对⼈们对数字相位计的研究和相位测量系统的设计刻不容缓。

相位测量主要采⽤三种技术⽅法归纳如下：基于电路测相技术，基于数字信号处理测相技术和基于虚拟仪表侧向技术。

数字式相位测量仪⽅法是将输⼊的两路信号经过某种处理将其变成⽅波，再通过⽐较这2路⽅波计算出相位差脉宽，最后通过⽤⾼频脉冲填充相位差，这个过程就实现了相位差的测量。

⽬前数字相位计的发展研究已在多领域得到重视,并提出了很多⾼精度的测量算法。

现在就SYN5607型相位计⽽⾔其测量精度⾼,⼯作稳定,可以⽤于实际⼯程测量中。

SYN5607型相位计主要有下列技术指标:输⼊阻抗:1MΩ。

相位范围：0° to 360° or ±180°相位测量物模糊测相的范围。

频率范围：10Hz ～20KHz相位测量能够保证测量精确度的频率范围。

幅度范围：0.5Vrms ～100Vrms相位测量幅度范围。

相位测量精度：±0.1°相位测量的实际值与理论值的偏离程度。

相位分辨率:0.01°相位测量甭管分辨的最⼩相位单位。

频率测量精度:2E-6相位测量频率值的测量精度。

SYN5607型相位计，测量精度⾼稳定性好，可对对正弦/三⾓/梯形波/⽅波的相位差进⾏精密测量，主要应⽤于相控雷达阵、⽆线电导航系统、⾃动控制系统的测距和定位、⽔深测量、电磁波测量、电⼒系统的相位检测装置、激光测量等。

数字相位计工作原理
数字相位计是一种用于测量信号相位差的仪器，它基于数字信号处理的原理工作。

它通常通过使用两个或多个传感器来捕捉要测量的信号，并使用计算机或专用芯片对所测得的信号进行数字化处理。

数字相位计的工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 信号采集：使用传感器将要测量的信号转换为电信号并放大，然后将其送入模数转换器(ADC)。

ADC将模拟信号转换为数
字信号，并以一定的频率进行采样。

2. 数字信号处理：采样得到的数字信号经过一系列的数字信号处理算法，来提取信号的相关信息，包括幅度、频率和相位等。

这些算法可以包括傅里叶变换、相关函数或其他数学方法。

3. 相位差计算：通过对两个或多个信号进行相位计算，可以得到它们之间的相位差。

常见的方法是使用傅里叶变换来将信号从时间域转换到频率域，并找到主要频率成分的相位差。

4. 结果显示：最后，测得的相位差可以通过计算机界面或显示屏显示出来，以供用户查看和分析。

需要注意的是，数字相位计的精度和准确性受到多个因素的影响，包括传感器的质量、采样率、数字信号处理算法的选择以及后续的数据处理和校准方法。

因此，在使用数字相位计进行
测量时，需要进行适当的参数设置和校准工作，以确保得到准确而可靠的结果。

电力系统中相位测量的方法分析作者：刘竹来源：《世界家苑·学术》2018年第06期摘要：本文介绍了经典相位测量方法，然后通过几种相位差方法比较，选择了数字化测量相位差作为电力系统相位差的测量。

关键词：相位差；数字化相位的测量通常是指两个同频率信号之间相位差的测。

随着科学技术的发展相位测量技术的应用已深入到许多领域和部门，在电力系统中，相位的测量具有很多重要的作用。

比如：在电能计费，测得电流与电压之间的相位φ，从而利用求出功率因数cosφ，进而求出有用功率；在电力系统中，当电网并网合闸时，需要两电网的电信号之间的相位相同，这时需要精确测量两列工频信号的相位差。

在电力系统中，由于频率的变化范围允许在 49.5°～50.5°之间波动，因此，并非所有的测量的相位的仪器都适合于测量电力系统中的相位，经过实际的调研和实验发现，国产的工频相位测量仪器很难达到对电子式互感器的测量要求。

所以寻找一种合理的相位测量方法，应用于电力系统中相当重要。

示波器法测量相位差1.1双踪（双线）示波法利用示波器的双踪显示功能，是测量相位差的最直观、最简便的方法，而且对所有频率信号均能进行，尤其适用于测量电路内部的固有相移。

测量方法是：利用双踪（双线）示波器，将两个信号u1（t）和u2（t）分别接到示波器CH 和 CH 通道上；示波器置双路显示方式，同步触发信号选择两个被测信号之一，最好选其中幅度较大的那一个；将示波器的扫描速度微调旋钮置“校准”位置，调节有关旋钮，使荧光屏上显示两条大小适中的稳定波形，先利用荧光屏上的坐标测出信号的一个周期在水平方向所占的长度DT（注意：正弦波变化一个周期，相当于360˚），然后再测出两波形上对应点（如过零点，峰值点等）时间的水平距离，则相位差∆φ为相位差符号的确定，相位差符号是由两信号的相对位置而定的，u2（t）滞后于u1（t），则∆φ = φ − φ1为负；而∆φ = φ − φ2为正，说明u1（t）超前u2（t）。

相位法光速测量实验本实验采用内调制被测信号的光强，测量光强调制波传播距离变化所引起的相应相位变化，最终测定光速，并可以测量有机玻璃、人造水晶、无水乙醇等介质的折射率。

一、实验目的1、了解相位法测量光速的频率和波长，从而确定光速的实验原理。

2、学会用相位法测量光速以及介质折射率。

二、实验仪器实验装置：导轨（长1m ，包含半导体激光器、调制及接收装置）、90反射镜、介质测量装置、f50透镜数字相位计、示波器三、实验原理采用频率为f 的正弦型调制波，调制波在传播过程中其位相是以2π为周期变化的。

表达式为：I=I 0[1+mcos2πf （t-x/t ）] (1)式中m 为调制度，cos2πf （t-x/t ）表示光在测线上转播的过程中，其强度的变化犹如一个频率为f 的正弦波以光速c 沿x 方向转播。

设测线上A 和B 两点的位置坐标分别为x 1和x 2，当这两点之间的距离为调制波波长λ的整数倍时，该两点间的相位差为：212()/2x x n φπλπ-∆== （2）式中n 为整数。

反过来，如果我们能在光的传播路径中找到调制度的等相位点，并准确测量它们之间的距离，那么这距离一定是波长的整数倍。

设由A点出发的调制波，经时间t后转播到A'点, AA'之间的距离为2D。

则A'点相对于A点的相移为ϕ=wt=2πft,如图1（a）所示。

然而我们不可能用一台测相系统对AA'间的这个相移量进行直接测量。

解决这个问题的较好方法是在AA'的中间B设置一个反射器，由A点发出的调制波经反射器反射返回A点，如图1（b）所示，光线由→→所走过的光程为2D，而且在A点反射波的位相落后ϕ=wt。

A B A如果以入射波作为参考信号（或作为基准信号），将它与反射波（以下称为被测信号）分别输入到相位计的两个输入端，由相位计读出基准信号和被测信号之间的相位差。

图1位相法测波长原理图本实验正是基于上述原理，实验原理图如图2所示，激光器将晶体振荡器G2产生的频率100MHz的晶振信号对光强进行调制形成光电调制波，该光信号经90反射镜返回，经一透镜会聚到光电二极管PIN，PIN将收到的光调制信号进行光电转换，输出与LED同频的信号经放大器放大后送入混频器2，与加在该混频器上的本机振荡器G1产生的100.300MHz的晶振信号混频，得到差频为300KHz的信号，该信号通过移相器 送入示波器Y轴。

数字相位计摘要：目前广泛使用的是直读式数字相位计，其原理是基于时间间隔测量法，通过相位-时间转换器，将相位差为ψ的两个信号（分别称参考信号和被测信号）转换成一定的时间间隔τ的起始和停止脉冲。

然后用电子计数器测量其时间间隔。

关键词：数字相位计正文：一、原理目前广泛使用的是直读式数字相位计，其原理是基于时间间隔测量法，通过相位-时间转换器，将相位差为ψ的两个信号（分别称参考信号和被测信号）转换成一定的时间间隔τ的起始和停止脉冲。

然后用电子计数器测量其时间间隔。

如果让电子计数器的时钟脉冲频率倍乘36*10n（n为正整数），则显示值即为以度为单位的相位差值，其简单原理如图所示。

也可以用相位—频率转换器，把两信号之间的相位差变成频率，用电子计量器测量。

此外可采用相位-电压转换器，把相位转换为电压，用电压表测量。

以上是时间间隔测量基本的原理，其间隔时间为式中，N是在tψ时间内计数脉冲的个数；T0是时标信号周期。

式中，f为被测信号频率，f0为时标信号频率。

若让计数器在1s内连续计数，即1s内有f个门控信号，则其累计数为N1=f*N.则若取时标频率f0=360Hz，则可见，计数器在1s内脉冲的累计数就是以度为单位的两个被测信号的相位差。

若取f0=3600Hz，则每个计数脉冲表示0.1°，可以提高测量准确度。

二、 电路图及具体原理分析电路由常用CMOS异或门74HＣ86和CMOS四比较器LM124组成。

LM124中的A1B，A1C为输入信号的过0检测器。

为了保护LM124集成块，用四只二极管（VD1-VD4）将比较器同相输入端的信号对地钳位，即把同相输入信号的幅值限制在二极管的正负管压降之内。

异或门74HＣ86的U2A，U2B为缓冲器（当开关S1断开时）。

电阻R10，R11接到U2A，U2B 的输入端，这两个缓冲器的输出驱动另外两个并接的异或门U2C和U2D，并联的目的是为了减小输出阻抗。

在U2C和U2D的输出端，电阻R4，R5，R P1和电容C1构成分压器和低通滤波器，对输出信号分别进行标定和滤波。

• 93•数字式相位测量仪是用数字形式显示两个同频信号之间相位差的仪器，是一种具有读数方便、精度高、测量速度快的电子仪器。

本文基于RS触发器检相原理，以可编程逻辑器件FPGA和单片机STM32为核心，通过对被测量信号的整形处理、数据采集、运算控制、显示等电路功能设计，最终实现了一个数字式相位测量仪系统。

引言：目前，随着社会经济的迅速发展与科技的不断进步，在各种测量方面对测量仪器的测量精度与整体性能的要求不断提高，越来越崇尚数字式的测量仪器。

由此可见，传统的模拟式测量仪器已无法满足现社会的需求，而在相位差测量方面的研究更是不容乐观；因此，对高精度的相位差测量的研究和相位差测量系统的设计，刻不容缓。

所以，本文设计了一台高精度的数字式相位测量仪。

本测量仪可以测量频率范围为10Hz ～100kHz 、信号峰峰值范围为 0.5V-5V 的任何两路同频率周期性波形的相位差及其频率，测量两路信号相位差的范围为 0°至359.9°，测量绝对误差小于1°；其频率测量绝对误差小于等于0.1Hz 。

1.总体框架本系统主要分为四大基本部分组成：LM393滞回比较器的整形电路、FPGA 数据采集与计数电路、RS 触发器数字电路和STM32数据拟合处理与显示电路。

系统设计中，可编程器件FPGA 采用等精度测量原理对经整行后的信号进行测频，采取其频率信息，同时对两路待测同频信号进行RS 触发器处理并通过计数器对两路待测同频信号相位差所对应的时间差进行测量。

单片机STM32通过与FPGA 进行SPI 通信，读取FPGA 测量得到的数据，并根据读取得到的数据进行计算两路待测同频信号之间的相位差及其频率，同时对数据进行多次测量与验证后，通过MATLAB 对数据进行拟合优化，最终通过使用人机界面友好的TFT 屏显示出来待测信号的相位差信息以及其频率信息。

总体框图如图1：图1 总框图1.1 LM393滞回比较器的整形电路的设计本系统中使用了两个精密运算放大器对两路信号进行放大或衰减，使两路待测输入信号的输入电压范围变宽，从而实现0.5V 到5V 的输入电压输入；滞回比较器在单限比较器的基础上引入了正反馈网络和上拉电阻，使其的门限电压随着输出电压Uo 的变化而改变，从而，使滞回比较器具有避免过零点多次触发的现象、提高了其抗干扰能力；因此，本系统采用了基于LM393的滞回比较器对放大或衰减后的信号进行整形，使两路待测输入信号变成方波信号，便于FPGA 对输入信号的信息采集，减少了FPGA 的计数误差，更准确地测出两路待测信号的相位差及其频率。

丈量相位差的方法主要有哪些？丈量相位差能够用示波器丈量，也能够把相位差变换为时间间隔，先丈量出时间间隔，再换算为相位差，能够把相位差变换为电压，先丈量出电压，再换算为相位差，还能够与标准移相器进行比较的比较法 ( 零示法 ) 等方法。

一怎么用示波器来丈量相位差?应用示波器丈量两个同频正弦电压之间的相位差的方法好多，本节介绍拥有适意图义的直接比较法。

将 u1 、 u2 分别接到双踪示波器的 Y1 通道和 Y2 通道，适合调理扫描旋钮和 Y增益旋钮，使荧光屏显示出如图 2.42 所示的上、下对称的波形。

比较法丈量相位差设 u1 过零点分别为A、 C点，对应的时间为、tt； u2 过零点分别为B、 D点，对应的时间为、tA C Bt D 。

正弦信号变化一周是360 °， u1 过零点A比 u2 过零点-tA出B提，前所t以现u1 超前 u2 的相位。

Bu1 超前 u2 的相位，即u1 与 u2 的相位差为(2.56)T为两同频正弦波的周期;T为两正弦波过零点的时间差。

二数字式相位计的构造与工作原理是什么?数字相位计框图将待测信号u1(t)和u2(t)经脉冲形成电路变换为尖脉冲信号，去控制双稳态触发电路产生宽度等于T的闸门信号以控制时间闸门的启、闭。

晶振产生的频次为fc 的正弦信号，经脉冲形成电路变换成频次为fc 的窄脉冲。

在时间闸门开启时经过闸门加到计数器，得计数值n，再经译码，显示出被测两信号的相位差。

这类相位计能够丈量两个信号的“刹时”相位差，丈量快速，读数直观、清楚。

数字式相位计称做“刹时”相位计，它能够丈量两个同频正弦信号的刹时相位，即它能够测出两同频正弦信号每一周期的相位差。

三鉴于相位差变换为电压方法的模拟电表指示的相位计的丈量原理是什么?如图 2.44 所示，利用非线性器件把被测信号的相位差变换为电压或电流的增量，在电压表或电流表表盘上刻上相位刻度，由电表指示可直读被测信号的相位差。