相位差的測量有很多種方法，如相位—電壓轉換法、數值取樣法和相位差—時間轉換法等。其中相位差—時間轉換法實際上是測量兩個正弦信號波形上兩個相應點之間的時間間隔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測量值比較準確，再通過單片機對實測數據進行高精度浮點數運算及誤差修正，就可以達到精度要求。按照這一思路，結合上面對等精度測頻、測周原理及誤差的分析可知，此方法是切實可行的。

　　設門控信號的開啟時間為tc ，計數值為N，則tc=NT0 (5)

　　式中T0 為時標信號的周期，由(5)式和(6)式得

　　式中f為被測信號頻率，10HZ≤f≤100kHZ ，f0 為標準時基，N為計數值。

　　3 寬帶通道放大器分析

　　因為三極管放大電路參數選擇復雜，低頻特性不好，抗噪性能差。因此，設計中采用了寬頻帶、低噪聲、高輸人阻抗的運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計主要考慮增益和帶寬的指標。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，應根據信號幅度大小分段選擇放大器的增益。還有就是要滿足運放增益帶寬積的要求。

　　三、電路與程序設計

　　1 輸入通道電路設計

　　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

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

　　比較器采用滯回接法，詳細電路見附錄一，從而避免了過零點信號的毛刺造成整形信號的誤翻轉。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，調節Rf的大小即可調整電路的增益。

　　移相網絡電路如圖5所示。

　
圖5 移相網絡電路圖

　　圖6 FPGA功能實現框圖

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

?

　　所以相位發生滯后，通過改變阻值r即可實現相移量調整。兩級級聯后移相范圍為0~360°。