1）波形转换电路

时间间隔波形转换电路见图6.65。电压信号和电流信号分别接入两个比较器，其中电压信号由同相端输入，电流信号由反相端输入，两个比较器的输出为矩形脉冲S1和S2，由于比较器的灵敏度较好，矩形脉冲的上升沿仅仅决定于输入信号的过零点，两个脉冲经过与门处理即可合成待测信号GATE，GATE脉冲信号的宽度即为tp。波形转换图见图6.63所示。

图6.65中触发器的作用是判断相位是超前还是滞后，当Q输出为低电平时呈感性，Q为高电平时呈容性。图6.65能完成相应的功能，但当被测信号在过零点有干扰时，就有可能出现多个脉冲。为了有效地解决干扰问题，过零比较器可以改为滞回比较器，改进后的电路如图6.66所示。用同相端作为输入端的目的是增加输入电阻，以满足设计题目的要求。R5、R6是上拉电阻。

图6.65　波形转换电路

图6.66　改进后的波形转换电路(www.daowen.com)

2）计时电路

单片机应用系统的时钟频率一般在6～12 MHz左右，执行一条指令至少需要一个机器周期，而完成任何一项工作，至少需要若干条指令，这就是说，单片机操作比数字逻辑电路（无论是组合电路还是时序电路）都慢得多。根据题目的精度要求，相位差绝对误差≤2°，最高频率为20 kHz，如果将异或门输出的方波直接送给单片机计时，由于单片机系统的速度较慢，执行单字节指令至少需要1 μs，无法达到精度的要求，所以可以经过数字逻辑电路计数后（当然最好能用CPLD/FPGA完成计数功能，但成本也相应提高了），再送给单片机处理。数字逻辑电路（TTL型）的最高工作时钟频率可以达到25 MHz，即周期为0.04 μs，这样精度可以得到保证。计数电路可以由普通计数器74LS191构成，用异或门输出的方波控制计数器计数，计数脉冲为高频信号（如20 MHz），用4个74LS191构成16位的计数器，计数值送入单片机处理。16位计数器的连线较简单，读者可自行画出。

3）数据处理与显示电路

数据处理与显示电路如图6.67所示。该电路的作用是，把测得的时间间隔τ转换为相位差并且显示出来。相位差的转换用单片机来完成是很容易办到的。显示电路采用移位寄存器具有占用单片机的资源少的优点。

图6.67　数据处理与显示电路