王 睿, 王毅飛, 王 菲, 楊 罕

(1. 吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012; 2. 中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 吉林分公司, 長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

相位是表征正弦信號(hào)的三要素之一。對(duì)相位的測(cè)量應(yīng)用極其廣泛, 比如變電站介損在線監(jiān)測(cè)的基本原理就是監(jiān)測(cè)漏電流與母線電壓的相位差[1-3]。目前通用的相位檢測(cè)電路方案是將待測(cè)信號(hào)整形成方波, 通過(guò)異或門和低通濾波器將待測(cè)信號(hào)異或后取平均, 輸出電壓值與相位差的絕對(duì)值成正比, 是非線性關(guān)系[4-8]。該方案無(wú)法直接區(qū)分相位的超前與滯后, 給一些應(yīng)用帶來(lái)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(cè)信號(hào)上升沿觸發(fā)其高電平, 另一路信號(hào)的下降沿觸發(fā)其低電平[9]。此時(shí), RS觸發(fā)器輸出信號(hào)的占空比與待測(cè)相位差成正比, 經(jīng)過(guò)低通濾波電路后, 輸出電壓與待測(cè)相位差成正比, 符合線性關(guān)系。為進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)成本和電路復(fù)雜度, 利用運(yùn)放進(jìn)行壓流轉(zhuǎn)換[10-14], 經(jīng)簡(jiǎn)單調(diào)零和電流參數(shù)調(diào)整, 使相位差與電流輸出線性對(duì)應(yīng), 即-45°對(duì)應(yīng)450 μA, 0°對(duì)應(yīng)0 μA, 45°對(duì)應(yīng)450 μA, 可巧妙利用普通數(shù)字萬(wàn)用表電流檔測(cè)量電路輸出, 指示待測(cè)信號(hào)的相位差。

1 設(shè)計(jì)原理

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

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

2 電路設(shè)計(jì)

筆者采用數(shù)字邏輯芯片CD4013結(jié)合一片集成運(yùn)放LM6144實(shí)現(xiàn)線性相位設(shè)計(jì), 相位測(cè)量電路圖如圖3所示。U2A和U2B分別構(gòu)成同向過(guò)零比較器和反向過(guò)零比較器, 將輸入的雙路正弦波變換成方波。C3,R9,C4和R10構(gòu)成微分電路, 將方波的上升沿和下降沿變換成正負(fù)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(chǎn)生圖2中⑤處占空比與相位差成正比的矩形波, 經(jīng)過(guò)R11和C5構(gòu)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(shù)字萬(wàn)用表顯示相位差, 用運(yùn)放U2C對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓流轉(zhuǎn)換。圖3中VA,VB分別為運(yùn)放U2C的同向端和反向端電位,VC為可調(diào)電阻R13抽頭處電位。由運(yùn)放虛短、 虛斷原理[15],VA=VB, 當(dāng)VB=VC時(shí), 數(shù)字萬(wàn)用表電流檔輸出為0, 調(diào)整R13, 使VC與相位差為零時(shí),VA電壓值相等, 完成相位顯示的調(diào)零任務(wù)； 將相位差調(diào)整到45°再次測(cè)量VA, 調(diào)整R12使

圖3 相位測(cè)量電路圖Fig.3 Phase measurement circuit

(1)

成立, 即完成電流值與相位差數(shù)值相對(duì)應(yīng)的電路校正。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

待測(cè)可調(diào)節(jié)相位差的雙路正弦波信號(hào)由普源精電DG4202信號(hào)源產(chǎn)生。相位計(jì)的測(cè)量精度由待測(cè)信號(hào)的頻率上限決定, 這里依據(jù)運(yùn)放LM6144性能選擇100 kHz正弦波為測(cè)試點(diǎn), 設(shè)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(cè)量功能, 以多次平均方式校正信號(hào)源產(chǎn)生的雙路正弦波相位差, 校正值作為相位測(cè)量電路的輸入； 在圖3中數(shù)字電流表位置接入數(shù)字萬(wàn)用表, 采用FLUKE 12E型號(hào)萬(wàn)用表的微安測(cè)量檔, 測(cè)量電流輸出值。實(shí)驗(yàn)詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示, 經(jīng)過(guò)計(jì)算測(cè)量相位值得平均偏差為0.3°, 偏差主要由儀器測(cè)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(jì)電路在相位差±50°內(nèi)線性度好, 與圖2分析結(jié)果相符, 表明筆者設(shè)計(jì)的相位計(jì)電路合理。

表1 實(shí)驗(yàn)詳細(xì)數(shù)據(jù)

圖4 電路輸入相位差與輸出電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results of phase measure circuit

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 為保證相位差在±50°范圍內(nèi)電流測(cè)量值對(duì)稱性好, 需在電路設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格篩選圖3中C3,C4,R9和R10值, 使微分電路產(chǎn)生的窄脈沖沿信息一致, 準(zhǔn)確觸發(fā)RS觸發(fā)器, 保證測(cè)試結(jié)果較好的線性度。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者采用觸發(fā)器和運(yùn)放設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的線性相位檢測(cè)電路, 將相位的變化轉(zhuǎn)換成電流的線性變化, 利用普通數(shù)字萬(wàn)用表的電流測(cè)量功能, 實(shí)現(xiàn)完整的相位測(cè)量, 巧妙顯示相位差。通過(guò)理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明, 電流的測(cè)量結(jié)果與相位差成線性關(guān)系, 且電路簡(jiǎn)潔, 設(shè)計(jì)成本低, 測(cè)量相位值平均偏差小于0.3°。