高精度工频相位频率计的研制

　　一、概述

　　1.设计方案的比较与确定

　　相位与频率是工频交流信号的两个重要参数。纵观目前常用的两种相位的数字化测量方法,是将相位转换成电压或频率,然后对电压或频率进行数字化测量。在相位——频率测量法中,需要一个时间常数足够大的滤波网络,当被测信号的频率较低时,测量速度很慢。而一般的相位——频率测量法,是运用标准脉冲对相位脉冲和被测信号进行分别测量,然后通过计算求出相位,若被测量的信号在两次测量过程中有了变化,将要引入误差。

　　本文所介绍的工频相位频率计,采用相位——频率(计数)测量法,将被测信号的频率倍频后的脉冲作为时钟脉冲,取代通常用晶振构成的时钟发生器,以消除频率改变引起的误差。这种电路具有不受频率变化的影响、结构简单、测量精度高、直接测量并显示等特点。

　　2.设计电路结构

　　本工频相位频率计主要由两个输入电压分压电路、一个输入电流互感器电路、两个通道的限幅整形放大电路、锁相环倍频电路、分频电路、计数闸门电路、秒时钟电路、计数显示电路和稳压电源电路等组成。

　　其中电流互感器电路由双极型电流互感器与补偿电路组成;两个通道的放大整形限幅电路由两个运算放大器OP37、一个LM356及一个LM357运算放大器与稳压限幅二极管等组成;两个通道的设计要求信号幅值基本相同,有足够大的放大倍数,整形电路运用过零比较,每个电路环节的附加相移要尽量小,且两个通道的电路参数要尽量对称一致。锁相环倍频电路由74HC4046锁相环芯片及计数器芯片74LS390等组成72000倍倍频电路。74HC4046是高速CMOS单片锁相环电路,它集成了三种相位比较器和一个压控振荡器(VCO);PC1out、PC2out、PC3out为三种相位比较器的输出端,使用时选择PC2out接至由RC组成的低通滤波器,再接到VCOin端;CA、CB、R1、R2端接压控振荡器所需的外接阻容器件,它们直接影响工作参数,VCout为锁相指示输出端,输出72000倍频信号;74LS390是双2—10进制计数器,与相应的门电路组成72000倍频电路。分频电路由计数器74LS390及74LS74等芯片组成100分频电路;计数闸门电路由微分电路及74LS74芯片等组成;计数显示电路由计数显示驱动器40110芯片及74LS390等组成,40110是一种具有计数、7段显示译码、驱动器的芯片,具有电路简单,调试方便等特点;秒时钟电路由32.768晶振及4046计数器等组成,使之产生一个0.5Hz的标准计数闸门信号。电路原理框图如图1所示:

　　3.主要技术指标

　　工频相位频率计是高精度计量测试仪器,设计的主要技术指标和参数为:可测量两路输入工频电压之间的相位差,或一路工频电压与一路同频率工频电流之间的相位差;