相位差的測量有很多種方法，如相位—電壓轉(zhuǎn)換法、數(shù)值取樣法和相位差—時間轉(zhuǎn)換法等。其中相位差—時間轉(zhuǎn)換法實(shí)際上是測量兩個正弦信號波形上兩個相應(yīng)點(diǎn)之間的時間間隔t，若兩被測信號周期均為T，則時間間隔t對應(yīng)的相位差為：

　　如果只測量一個周期的t和T，無法滿足寬頻帶被測信號的測量精度。如果時間間隔t和周期T測量值比較準(zhǔn)確，再通過單片機(jī)對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算及誤差修正，就可以達(dá)到精度要求。按照這一思路，結(jié)合上面對等精度測頻、測周原理及誤差的分析可知，此方法是切實(shí)可行的。

　　設(shè)門控信號的開啟時間為tc ，計(jì)數(shù)值為N，則tc=NT0 (5)

　　式中T0 為時標(biāo)信號的周期，由(5)式和(6)式得

　　式中f為被測信號頻率，10HZ≤f≤100kHZ ，f0 為標(biāo)準(zhǔn)時基，N為計(jì)數(shù)值。

　　3 寬帶通道放大器分析

　　因?yàn)槿龢O管放大電路參數(shù)選擇復(fù)雜，低頻特性不好，抗噪性能差。因此，設(shè)計(jì)中采用了寬頻帶、低噪聲、高輸人阻抗的運(yùn)算放大器組成高精度放大電路，以獲得良好的頻率特性和抗干擾能力。輸入通道中的放大級設(shè)計(jì)主要考慮增益和帶寬的指標(biāo)。題目要求能夠測量信號幅度峰值范圍約為14mv～7.07v。這個范圍是比較寬的，既涉及到小信號放大，又要考慮比較器輸入電壓限制問題，因此，應(yīng)根據(jù)信號幅度大小分段選擇放大器的增益。還有就是要滿足運(yùn)放增益帶寬積的要求。

　　三、電路與程序設(shè)計(jì)

　　1 輸入通道電路設(shè)計(jì)

　　待測頻率信號由于衰減、傳輸干擾等原因，不能直接用于測量，需要經(jīng)過處理后才能適合邏輯控制器的輸入。輸入通道組成框圖如圖3所示。

　
　圖3 輸入通道組成框圖

　　圖4 放大電路原理

　　輸入信號經(jīng)電壓跟隨器緩沖后進(jìn)入放大通路，靈敏度控制采用單片機(jī)控制繼電器的通斷來選擇不同的放大倍數(shù)，被放大的信號經(jīng)比較器輸出與被測信號同頻率的方波計(jì)數(shù)信號若要測相位差，則同頻信號經(jīng)放大后進(jìn)入移相網(wǎng)絡(luò)，然后經(jīng)過零比較得到移相后的計(jì)數(shù)信號。

　　比較器采用滯回接法，詳細(xì)電路見附錄一，從而避免了過零點(diǎn)信號的毛刺造成整形信號的誤翻轉(zhuǎn)。其中放大電路基本原理如圖4所示，其中Rf為反饋電阻，R為輸入端電阻，有

　　Uo = - Ui × ( Rf / R ) (7)

　　由式(7)知，調(diào)節(jié)Rf的大小即可調(diào)整電路的增益。

　　移相網(wǎng)絡(luò)電路如圖5所示。

　
圖5 移相網(wǎng)絡(luò)電路圖

　　圖6 FPGA功能實(shí)現(xiàn)框圖

　　對圖5電路分析知，兩級網(wǎng)絡(luò)的振幅特性均為A(ω)=1 ，前級網(wǎng)絡(luò)相頻特性為

?

　　所以相位發(fā)生滯后，通過改變阻值r即可實(shí)現(xiàn)相移量調(diào)整。兩級級聯(lián)后移相范圍為0~360°。