实验二 相位差测量

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实验二 相位差测量
一、实验目的
1、掌握将相位差转换为电压的原理。
2、掌握脉冲电压的脉宽与电压平均值成正比的原理。
3、掌握磁电系仪表的基本读数是电流(电压)的平均值。
4、了解硬件电路的设计方法和基本的硬件调试方法。

二、实验类型
综合型
三、实验仪器

序号 名称 数量 备注
1 面包板 1
2 电阻 8
1MΩ,2个。51kΩ,2个。5 kΩ,2个。200Ω,2个。
3 电容 1
202或222

4 稳压二极管 4 1N4148
5 发光二极管 2
6 LM339 1
7 CD4070 1
8 CD4013 1
9 信号发生器 1
1KHz,9.5V

10 可调电阻箱 1
20 kΩ

11 可调电容箱 1
50微法

12 万用表 1
13 直流电源 1
直流电源电压10V

四、实验原理
1、 原理图
1

Q
Q
SET
CLR
D

CC
U
1
R
1
VD1

VD2

3
R

51
339LM

4
R
5

CC
U
1
VD1

VD2

51

339LM

5

CC
U
2
R

5
R
6
R

7
R
8
R
200

200

4013CD

4070CD
1LED
2LED

1
Y

2
Y
222或202

图1 相位表原理图
2、 电路原理
此电路可以检测-180--+180的相位差。两路输入信号Y1、Y2经整形后成为
两路与原信号同频率同相位的方波。方波送入异或门CD4070,CD4070的输出
是电压脉冲,脉冲宽度与输入信号的相位差绝对值成正比。用磁电式仪表测
CD4070的输出电压(根据磁电系仪表的原理,测量值为电压的平均值),测量
值Uo与脉冲宽度成线性关系。因此可得Uo与输入信号的相位差绝对值成正比。
输入信号的超前、滞后由LED显示,当Y1超前Y2时,LED1亮;当Y1滞后
Y2时,LED2亮。

3、 相位差与时间差的关系

360

T

Δt
φ

4、 脉冲电压的平均值与脉宽成正比
TUadtUTdtuT
UHaHTav

00

11

其中:a——脉宽。T——脉冲电压周期。UH——脉冲电压高电平。
5、 磁电系电压表的读数是电压的平均值。

五、实验内容和要求
1、内容和要求
2

搭出相位差测量电路,并在具体电路上验证,调系数。具体要求:掌握基本
的硬件插接技术,布线必须正确、接触良好,其次要求布线合理、清晰、美观。

2、测量数据
构造如图2所示的电路,信号发生器产生频率为100Hz的正弦波,调节RC
参数可以改变Y1(电源电压)与Y2(电阻电压,与回路电流同相位)之间的相

位差,记为0j。Y1和Y2作为相位表的输入信号,用磁电系电压表(或万用表
测量)测量相位表的输出电压,当输出电压测出后,脉宽a就可以算出来,a算
出来后,相位差也就可以算出来,记为1j,比较0j和1j。记录发光二极管(LED)
的状态,用以确定两路正弦信号的相位关系(超前/滞后)。

表1 阻抗角测量记录表格
阻值(Ω) 电容(μF) 相位差(度)0j 观察LED 电压读数 Vo(V) 相位差
(度)1j
01
jj-

LED1 LED2

﹡注意观察LED
Vcc

C
1kHz

9.5V
R

Y2
Y1
Vo
信号

发生器
图1所示相位表

磁电式
电压表

图2 用相位表测量阻抗角
3、硬件调试方法
制作硬件时,若输出电压值或LED的状态不正确,需调试硬件电路,找出
错误并改正。建议采用以下方法调试硬件:
(1)用电压表测量各点电压,或者用示波器观察各点波形。
3

(2)从输入信号起,向后逐点测量,具体步骤如下所述。
首先看两路输入的正弦波信号是否正常,改变电阻数值时,两路正弦波的相
位差是否改变,若不改变或无正弦波,说明外部的信号电路有问题,可以逐一排
查信号源、R和C的数值,以及它们的连接。
然后看LM339是否有输出,输出的幅值是否正常,输出方波是否与输入正弦
波同相位,输出方波的相位差是否随输入信号的相位差变化。若以上任一项不正
常,可以考虑以下几种可能:LM339的各引脚连接有错;LM339后面连接的电路
有错,影响了LM339;LM339芯片坏。需逐一排除以上可能,直至LN339输出正
确。
再看CD4070是否有输出,输出是否随输入的相位差变化。若以上任一项不
正常,可以检查以下几方面:4070的输入信号是否正确;4070的引脚连接是否
正确;4070芯片是否损坏。
CD4013的输出是两个确定的电平,一个是高电平,另一个是低电平,高电
平引脚所连接的发光二极管会点亮。把Y1、Y2的位置互换,引脚的输出电平与
互换前相反。

六、注意事项
制作硬件注意事项
(1) 插拔板上的任何元件、线路时,均要断开直流电源和输入信号,否则
会损坏芯片。
(2) 给三个芯片供电的直流电源电压取+10V。
(3) 芯片的Vcc或VDD接芯片工作电源,Vss或GND接地。
(4) 芯片上没用到的输入脚不可悬空,全部接到固定电平,可以接到高电
平(Vcc或VDD)或低电平(地)。芯片上没用到的输出脚必须悬空,
不可接固定电平。
(5) 请注意看CD4013芯片资料里的真值表。R和S端应接地,输出才会
随D和Clock端变化。
(6) `元件和引线的金属引脚尽量不外露,以减小干扰。
(7) 合理布局,板面以整齐、引线少为上,尽量减少长线和相互跨接的线。
(8) “地”是指一个公共点,并不一定接大地。综合实验中信号发生器地、
直流电源地、电路板地、电压表地是同一点。
(9) 为了便于调试和检查,面包板上输入输出以及接地线位置如图7所示。
Y1Y2Vcc

Vo
图7 面包板输入输出接法
4

注:以下部分供同学们参考,最终交实验报告时不要包括在内。
芯片简介:
LM339是电压比较器,输入正弦信号,输出同频率同相位的方波。其芯片
的管脚定义图2所示。

图2 LM339的管脚定义
CD4013,锁存器,当时钟端(Clock,本电路中接Y2整形后的方波)是上
升沿时,输入数据由数据端(D)传输至输出端(Q)。其芯片的管脚定义和真值
表如图3所示。
5

图3 CD4013的管脚定义及其真值表
CD4070,异或门,相同出0,不同出1。其芯片的管脚定义和真值表如图4
所示。

图4 CD4070的管脚定义及其真值表
6

原理图中各典型结点的波形如图5所示,两路输入信号分别用正弦电压源
产生,它们的频率都是100Hz,Y1的幅值为10V,初相角为0,Y2的幅值为

15V,初相角为30。

图5(a)两路输入电压
图5(b)LM339正极性端的电压波形
图5(c)Y1经LM339后的输出电压
图5(d)Y2经LM339后的输出电压
图5(e)CD4070的输出电压
图5(f)CD4013的Q端子电压
图5 (g)CD4013的Q端子电压
图5 原理图中各典型结点的波形
7