第1章绪论
相位测量仪是电力部门、工厂和矿山、石油化工、冶金系统进行二次回路检查的理想的高精度仪表。尤其适用于电能计量、用电检查、继电保护、差动检测、电力建设和变送电工程等。是电力系统各部门的必备仪器之一。
1.1 课题研究背景
在电子测量技术中，相位测量时最基本的测量手段之一，相位测量仪式电子领域的常用仪器。随着相位测量技术广泛应用于科学研究、实验、生产实践等各个领域，对相位测量技术的要求也向高精度高智能化方向发展，在低频范围内，相位测量在电力、机械等部门具有非常重要的意义。
基于数字式相位测量仪的高精度、高智能化、直观化的特点，工业上常常用此进行低频信号相位差的精确测量。同频信号间相位差的测量在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、电子、地球物理勘探等许多领域都有着广泛的应用。尤其在工业领域中，相位不仅是衡量安全的重要依据，还可以为节约能源提供参考。
1.2 课题研究内容
1.2.1 相位测量
相位差的测量原理主要有三种：过零检测法——基于对信号波形的变换比较；倍乘法——基于对傅氏级数的运算；矢量法——基于对三角函数的运算。
过零点检测法是一种将相位测量变为时间测量的方法。其原理是将基准信号的过零时刻与被测信号的过零时刻进行比较，由二者之间的时间间隔与被测信号周期的比值推算出两信号之间的相位差．这种方法的特点是电路简单，且对启动采样电路要求不高，同时还具有测量分辨率高、线性好和易数字化等优点．
倍乘法：任何一个周期函数都可以用傅氏级数表示，即用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，倍乘法测量相位差所用的运算器是一个乘法器，2个信号是频
- 1 -
率相同的正弦函数，相位差为?，运算结果经过一个积分电路，可以得到一个直流电压?
V=，电路的输出和被测信号相位差的余弦成比例，因此其测量范围在45°cos
k
以内，为使测量范围扩展到360°，需要附加一些电路才可以实现．倍乘法由于应用了积分环节，可以滤掉信号波形中的高次谐波，有效抑制了谐波对测量准确度的影响．矢量法：任何一个正弦函数都可以用矢量来表示，如各个正弦信号幅度相等、频率相同，运算器运用减法器合成得到矢量的模2/
V=．矢量法用于测量小角
E
sin
2?
度范围时，灵敏度较好，可行度也较高；但在180°附近灵敏度降低，读数困难且不准确．由于系统输出为一余弦或正弦函数，因此这种方法适用于较宽的频带范围。
上述3种测量相位的方法各有优势，从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看，过零检测法的输出正比于相位差的脉冲数，且易于实现数字化和自动化，故本研究采用过零检测法。
1.2.2 基本要求
本设计研究了一种可测20Hz-20kHz内任意频率数字式相位测量仪的设计方法。主要内容是以AT89C51为控制核心，实现对音频范围内的正弦交流信号的相位的测量，可测的信号相位差在0～360度范围内，测量精度可达0.1度。
两路信号（同频、不同相，一路为待测信号，另一路为参考信号）通过过零比较器电路整形成矩形波信号，再通过鉴相器，得到相位差信号。这样就构成了相位测量系统的测量电路。再将该相位差信号送入单片机的外部中断端口，通过单片机对数据的处理，最后方可得到所要测量的相位差，并在液晶上显示出测量结果。
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第2章 方案论证
本设计中，相位测量仪主要是对被测网络的输入、输出信号的相位差进行测量。这样的两路待测信号为同频不同相的正弦交流信号，频率范围为20Hz-20kHz ，幅度为0V ～500V 。相位差测量的基本原理为：对信号波形的变换、比较及相关数学运算。即对于被测信号是同频不同相的两路正弦交流信号，为了准确地测量出该相位差，需要对输入信号的波形进行整形，本设计利用LM339组成整形电路，使输入信号变成矩形波信号，再经异或门组成的鉴相器电路，输出即为相位差信号，再结合单片机的数据处理功能，最后通过液晶即可显示出该相位差。由于单片机的工作电压在5V 左右，所以在进行相位测量前，还需将被测信号进行分档降压处理。
2.1 自动量程控制原理论证
本设计中，待测信号是0V ～500V 正弦交流信号，要想进行相位测量，则需先将该信号进行降压处理。常见的交流降压法有降压变压器降压法、电容降压法、电感降压法、纯电阻电路降压法，考虑到本设计中的降压过程不得引入新的相移，否则影响下一步的相位测量的精准度，此处选择最后一种方法，即纯电阻电路的降压法，该电路实现起来直观、简易且误差小。
本设计中，将待测信号分成三个档位：500V 、50V 、5V 。结合继电器的自动开关作用，即当待测信号的满足其中某一档位的指标时，则相应的被控电路导通，从而自动量程控制电路转入相位测量电路进行后续数据处理等功能。
2.2 相位测量原理论证
由数学关系可知，时间差和相位差有如下关系：
θθ:360:T T = （2.1） 由此可得：
360)/(?=T T θθ （2.2）
- 4 - 其中，θT 是相位差θ对应的时间差，T 是信号周期。
式2.2表明，相位差θ与时间差θT 有着一一对应的关系，只要通过测量时间差θT 及信号周期T ，就可以求得相位差θ，这就是相位差的基本测量原理。
显然，相位差θ的测量本质上是时间的测量。而时间的测量方法有很多种，本设计结合51单片机的特点，采用过零点检测法。其原理是将基准信号通过零的时刻与被测信号通过零的时刻进行比较，由二者之间的时间间隔推算出两信号之间的相位差。这种方法的特点是电路简单，对启动电路要求不高，同时该方法还具有测量分辨率高、线性好、易于数学化等优点。
将该相位差信号送入单片机的外部中断接口，对该信号的脉冲宽度进行计数，从而得到对应于相位差的时间差和周期，再根据上述求解相位差的公式便可得到所求，并由液晶显示最终测得的相位差。
第3章硬件设计
本章主要阐述了系统各单元的硬件电路设计思想及具体硬件组成，本设计共包括以下模块：单片机主控电路、显示电路、稳压电路、自动量程控制电路、AD转换电路、继电器驱动电路、超限报警电路及相位测量电路共8个部分。系统总体框图如图3.1所示。
图3.1 系统总体框图
3.1 主控电路设计
这部分是由单片机、晶振电路、复位电路组成。本设计中充分利用了单片机较强的运算能力和控制能力这一特点，使用单片机外部中断INT0、INT1接收外部送来的相位差信号，并在单片机内部完成相应的处理及相关运算。图3.2为AT89C51主控电路图。
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图3.2 主控电路图
3.1.1 AT89C51单片机
本设计中采用的核心控制器是AT89C51，它是美国ATMEL 公司生产的一款低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K 字节FLASH 可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128 字节的随机数据存储器（RAM ），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，片内内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash 存储单元，功能强大的AT89C51单片机可提供高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。因此，在这里我选用AT89C51单片机来完成。
3.1.1.1 主要性能参数：
?与MCS-51产品指令系统完全兼容
?4K 字节可编程Flash 存储器
?1000次擦写周期
?全静态工作：0hz-24hz
?三级加密程序存储器
?128×8位内部
RAM
?32个可编程I/O口线
?2个16位定时/计数器
?5个中断源
?可编程串行UART通道
?低功耗空闲和掉电模式
3.1.1.2 管脚说明：
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
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P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表1所示：
表1 P3口第二功能表
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR 8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
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/EA/VPP ：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH ），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA 将内部锁定为RESET ；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源（VPP ）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.1.2 晶振电路的设计
晶振是一种能把电能和机械能相互转化，产生稳定、精确的共振频率的元件。它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率。单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率的基础之上的。在通常工作条件下，普通晶振频率绝对精度可达百万分之五
十。AT89C5l 中有一个用于构成内部振荡器的高量程反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3.3。
图3.3 晶振电路
外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2
虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻
微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF ±10F。也可以采用外部时钟，这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。本设计采用前一种方法，选用33pF的电容和12MHz的石英晶体相配合，这样可以提供准确而又稳定的us级定时时钟。
3.1.3 复位电路的设计
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。
1、手动按钮复位
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以完全能够满足复位的时间要求。
2、上电复位
AT89C51的上电复位，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1uF。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将- 10 -
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端口置为全“l ”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC 将得不到一个合适的初值，因此，CPU 可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。
3、积分型上电复位
常用的还有上电或开关复位电路，上电后，由于电容的充电和反相门的作用，使RST 持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键后松开，也能使RST 为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。
本设计采用的是上电复位，如图3.3所示，原理是上电时，C3充电，在10K 电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C3充满，10K 电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下S1，C3放电。S1松开，C3又充电，在10K 电阻上又出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机又进入工作状态。
图3.3 复位电路
3.2 显示电路的设计
本设计采用由液晶LCD1602组成的显示的电路。单片机将处理后的数据送到LCD1602中进行输出显示。显示电路如图3.4所示。
图3.4 液晶LCD1602显示电路
- 12 - LCD1602液晶显示屏以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用。其各管脚功能如表3.4所示。
表3.4 LCD1602管脚功能表
由管脚功能表可知，VSS 接地，VDD 接5V 电源正极，V0为液晶显示器对比度调整端（接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高）， 通过一个10K 的电位器R3调整对比度。背光源根据其正负极分别与电源正负极相连接。
单片机的P3.7~P3.5口分别与LCD1602液晶显示屏的RS 、RW 、E 引脚相连接，来控制LCD 的初始化及显示模式。P1.0~P1.7口分别与LCD1602液晶显示屏的DE0~DE7引脚相连接，来显示所测量的数据。
3.3 稳压电路的设计
电路提供+5V 的稳定电源，主要用于单片机（AT89C51）及周边外围电路、液晶显示、AD 转换、相位测量、超限报警等电路。
图3.5 7805稳压电路
图3.5所示，电源电路采用集成稳压管LM7805进行稳压。电池提供的12V 直流电压通过LM7805可以输出稳定的5V 电压。电池提供的12V 电压可用于驱动继电器的工作。
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LM7805是美国四家半导体公司的三端固定稳压集成电路，用于将输入的电压稳压集为5V 后提供给有关电路，其应用十分广泛，在视频、音频、计算机、游戏机等各种电器上均有应用。LM7805是最常用到的稳压芯片。他使用方便，用很简单的电路就可以输入一个直流稳压电源，它的输出电压恰好为5V ，刚好是51系列单片机工作所需的电压，它有很多的系列，如KA7805、ADS7805、CW7805等等，性能上有微小差别，用的最多的还是LM7805,。LM7805有三个引脚，分别为Vin:输入引脚，电压为12V ；Vout:输出引脚，电压为5V ；GND:接地端。
3.4 超限报警电路的设计
蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似之处，通常工作电流比较大，电路上的TTL 电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以。本设计采用了一种很简单的电路来实现蜂鸣器的联结，而且增加了三极管来增加通过蜂鸣器的电流。
如图3.6所示，蜂鸣器的负极性的一端接地，正极性的一端接在PNP 三极管的集电极上，三极管的基极由P2.7管脚来控制，当待测信号不在规定的测量范围时，P2.7脚为低电平，三极管导通，这样蜂鸣器电路形成回路，发出警报声；在没有超限的情况下，该管脚为高电平，则三极管截止，蜂鸣器不响。
图3.6超限报警电路
- 14 - 3.5 时差检测电路的设计
时差检测电路主要包含以下几个主要模块：自动量程控制、继电器驱动、AD 转换、相位测量四个部分。主要完成量程的自动选择和相位差信号的获得。以下将阐述各个部分的具体设计方法。
3.5.1 自动量程控制电路的设计
本设计中，相位测量仪主要是对被测网络的输入、输出信号的相位差进行测量。这样的两路待测信号为同频不同相的正弦交流信号，幅度为0V ～500V ，而单片机和相位测量电路的工作电压是5V ，因此在进行相位测量前必须做分档降压的处理。本设计中选用纯电阻电路的降压法，这样电路实现起来简单可行，最重要的是不会引入新的相移。具体电路如图3.7所示。
图3.7 自动量程控制电路
从图3.7可以看到，自动量程控制分为两个支路，分别是被测网络的输入和输出两部分，被测网络的输出作为待测信号（上面一条支路），被测网络的输入作为参考信号（下面一条支路），每一路信号都将经过三个档位的选择电路，从上至下分别为500V 档、50V 档、5V 档。选通开关这里用的是电磁式继电器，选通原理是这样的：当继电器驱动电路检测到对应的IO 口为低电平时，则继电器吸合，对应的档位同时被选通。降压电路里分压电阻的取值因输入信号的幅值的不同而不同，若设参考信号的幅值为2.5V ，与接地端直接相连的电阻取1k ，待测信号的幅值为Vm ，则有
5.211*
=+k Rx k Vm （3.1）
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由此可知，
k Vm k Rx 15
.2*1-= （3.2） 因此，当Vm 分别为500V 、50V 、5V 时，Rx 对应的分别为199k 、19k 、1k 。
3.5.2 继电器驱动电路的设计
电磁式继电器一般用功率接口集成电路或晶体管驱动。在使用较多继电器的系统中，可用功率接口集成电路驱动，例如SN75468等。一片SN75468可以驱动7个继电器，驱动电流可达500mA ，输出端最大工作电压为100V 。本设计采用晶体管来驱动继电器。如图3.8所示。
图3.8 继电器驱动电路
继电器的动作由单片机的P2.0、P2.1、P2.2口控制。当三者之一输出低电平时，对应的继电器J 吸合，同时分档电路里对应的继电器也吸合，对应档位导通；若为高电平，继电器J 释放。采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。
继电器J 由晶体管9013驱动，9013可以提供300mA 的驱动电流，适用于继电器线圈工作电流小于300mA 的场合。基于光电耦合器有较高的电流传输比，且最小值为50%。晶体管9013的电流放大倍数大于50。当继电器线圈工作电流为300mA 时，光耦需要输出大于6.8mA 的电流，其中9013基极对地的电阻分流0.8mA
。输入
光耦的电流必须大于13.6mA，才能保证向继电器提供300mA的电流。
这里的二极管D的作用是保护晶体管9013。当继电器J吸合时，二极管D截止，不影响电路工作。继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这时晶体管9013已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。这个感应电压的极性是上负下正，正端接在T的集电极上。当感应电压与12V电源电压之和大于晶体管的集电结的反向耐压时，晶体管有可能损坏。加入二极管后，继电器线圈产生的感应电流由二极管D流过，因此不会产生很高的感应电压，晶体管便得到了保护。
关于电磁继电器：电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
3.5.3 AD0832转换电路的设计
3.5.3.1 AD0832工作原理
如图3.9所示，选通的待测信号输入到AD0832的CH1端，但先要经过整流二极管，将交流转换为直流后方可输入到AD0832中进行转换和判断。
图3.9 AD转换电路
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判断依据是：对于未知的输入信号，首选的是将信号送入最大档位进行测量。若经过整流二极管转换后的待测信号幅值Vm满足1V≤Vm≤2.5V，表示该档是合理的档位，可以将其送入相位测量电路进行后续处理；若Vm<1V，表示该信号相对于当前档位偏小，则选通下一档位，采用相同的方法进行比较判断；若Vm>2.5V，表示该信号超过了本设计规定的测量范围，同时发出超限报警信号。
3.5.3.2 AD0832简要介绍
ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生产的具有Microwire／Plus串行接口的8位A／D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，芯片引脚少，适宜在袖珍式智能仪器中使用。主要特点有：8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V；输入模拟信号电压范围为0～5V；输入和输出CMOS兼容；在250KHz 时钟频率时，转换时间为32us；具有两个可供选择的模拟输入通道；功耗低，15mW。
ADC0832有DIP和SOIC两种封装，本设计额中采用的是DIP封装，如上图3.9所示。
各引脚说明如下：
CS为片选端，低电平有效。
CH0，CHl为两路模拟信号输入端。
DI为两路模拟输入选择输入端。
D0为模数转换结果串行输出端。
CLK为串行时钟输入端。
VCC／REF为正电源端和基准电压输入端。
GND为电源地。
配置位说明：ADC0832工作时，模拟通道的选择及单端输入和差分输入的选择，都取决于输入时序的配置位。当差分输入时，要分配输入通道的极性，两个输人通道的任何一个通道都可作为正极或负极。ADC0832的配置位逻辑表如表1所列。
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表3.5 ADC0832配置位的说明
表中“+”表示输入通道的端点为正极性；“-”表示输入端点为负极性；H或L 表示高、低电平。输入配置位时，高位(CHO)在前，低位(CHl)在后。
工作时序：当CS由高变低时，选中ADC0832。在时钟的上升沿，DI端的数据移人ADC0832内部的多路地址移位寄存器。在第一个时钟期间，DI为高，表示启动位，紧接着输入两位配置位。当输入启动位和配置位后，选通输入电平与吼和模拟通道，转换开始。转换开始后，经过一个时钟周期延迟，以使选定的通道稳定。ADC0832接着在第4个时钟下降沿输出转换数据。数据输出时先输出最高位(D7～DO)；输出完转换结果后，又以最低位开始重新输出一遍数据(D7～DO)，两次发送的最低位共用。当片选CS为高时，内部所有寄存器清0，输出变为高阻态。如果要再进行一次模数转换，片选CS必须再次从高向低跳变，后面再输入启动位和配置位。
3.5.4 相位测量电路的设计
相位测量模块主要包括整形电路的设计和鉴相器电路的设计。其中，整形电路采用的是过零比较法将待测信号变成矩形波信号，然后再送给鉴相器电路进行下一步的处理。而且，为了避免待测信号和参考信号在整形电路中产生附加相移或者发生相对相移，本设计对两路信号采用了相同的整形电路，这样即使发生相移，也能保证二者的相对相移为0。具体电路如图3.10所示。其中，Ua、Ub分别是待测信号和参考信号；Uc、Ud分别是经过过零比较整形后的两路矩形波信号；Ue、Uf分别是经过三极
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管转换电路得到的只有0、1电平的矩形波信号，用以作为JK 触发器的时钟信号；Ug 、Uh 分别是经JK 触发器后的二分频信号，同时也是鉴相器的输入信号；Ui 、Uj 分别是相位差信号及其取反后的信号。
为了避免待测信号在过零点时含有干扰，这里用LM339组成如下图所示的整形电路，还应注意的是，LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K ）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。所以要加上拉电阻才能保证有高电平输出，本设计中采用的是10K 的上拉电阻。
图3.10 相位测量电路
3.5.
4.1 LM339简要介绍
LM339电压比较器芯片内部装有四个独立的电压比较器，图 3.11是很常见LM339引脚图的集成电路图。利用lm339可以方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路。该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV ；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V ，双电源电压为±1V~±18V ；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V ）V o ；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC 生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339
等，它们的参数基本一致，可互换使
用。
图3.11 LM339管脚图
LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339可构成单限比较器、迟滞比较器、双限比较器（窗口比较器）、振荡器等；还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。
3.5.
4.2 JK触发器工作原理的简要介绍
相位测量电路中用到两个JK触发器，二者工作原理一样，这里以前者为例来加以阐述：JK触发器的J端、K端及电源端均接到+5V上，清零端通过C9接地，当接通电源瞬间，清除端通过C9处于低电平，使Q端置为低电平；C9逐渐充电完毕，这时清零端通过R30处于高电平。当CLK端接收到触发脉冲时，Q端有低电平变为高电平；当下一个脉冲到来，Q端又由高电平变为低电平，如此不断反复。
74LS113为双下降沿J-K触发器，有预置位端。其管脚图如图3.12所示。
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辽宁工业大学 电子综合设计与制作（论文）题目：低频数字式相位测量仪 院（系）：电子与信息工程学院 专业班级：电子班 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间：2013.12.13-2014.1.10
电子综合设计与制作（论文）任务及评语
摘要 该设计是低频数字式相位测量仪，设计思路为输入一个低频正弦信号通过分支路正常输出，另一路不通过移相器输出一个相位改变频率不变的正弦波。得到上述两路频率相同相位不同的信号后就要测出两信号的相位差和频率，在做此工作前先要经过相位测量前置级信号处理电路，由阻抗变换和放大、限幅、电平转换、整形电路组成。经过相位测量前置级信号处理电路得到两路方波，通过异或门输出一个脉冲序列与晶振产生的基准脉冲波进行与操作得到调制后的波形，在一定的时间范围内对脉冲的个数进行计数通过计算得到相位差和频率。再通过单片机控制显示器显示出所需结果。 关键词：低频；正弦；移相器；异或门；整形；
目录 第1章可编程增益放大器设计方案论证 (1) 1.1可编程增益放大器的应用意义 (1) 1.2可编程增益放大器设计的要求及技术指标 (1) 1.3 设计方案论证 (2) 1.4 总体设计方案框图及分析 (3) 第2章可编程增益放大器各单元电路设计 (4) 2.1 输入调整电路设计 (5) 2.2 中间级放大电路设计 (5) 2.3 输出级电路设计 (5) 2.4 增益调整电路设计 (6) 第3章可编程增益放大器整体电路设计 (7) 3.1 整体电路图及工作原理 (7) 3.2 电路参数计算 (7) 3.3 整机电路性能分析 (8) 第4章设计总结 (9) 参考文献 (10)
XXXXXX项目式教学 设计报告 课程名称：电路综合设计 项目名称：单片机数字相位差计的设计专业班级： 学生姓名： 指导教师： 开课时间： 报告成绩：
数字相位差计的设计与实现 摘要 随着数字电子技术的发展，由数字逻辑电路组成的控制系统逐渐成为现代检测技术中的主流，数字测量系统也在工业中越来越受到人们的重视。 在实际工作中，常常需要测量两列频率相同的信号之间的相位差，来解决实践中出现的种种问题。例如，电力系统中电网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这时需要精确测量两列工频信号之间的相位差。如果两列信号之间的相位差达不到相同，会出现很大的电网冲激电流，对供电系统产生巨大的破坏力，所以必须精确地测量出两列信号之间的相位差。本设计由STC89C51构成的最小系统，通过外围扩展，精确测量工频电压的相位差，采用LCD1602显示相位差，功耗小，精确度高，稳定性能好，读数方便且不需要经常调试。 关键词：单片机、低频、相位差、LCD
一、绪论 1.1课题的意义 众所周知，相位是交变信号的三要素之一，而相位差则是研究两个相同频率交流信号之间关系的重要参数。相位差的测量是电气测量的一项基本内容，其含义为测量两个同频率周期信号的相位差值。 例如某一电路系统输入信号与输出信号之间的相位差，三相交流电两个相电压或两个线电压之间的相位差，相电压与相电流之间的相位差等。 又如，在自动控制理论中，系统的相频特性为在不同频率正弦信号作用下，系统的输出信号与输入信号之间的相位和频率的函数关系。 此外，同频率正弦信号的相位差测量在工业自动化、智能控制及通讯电子等许多领域都有着广泛的应用。如电工领域中的电机功角测试，等等。 因此相位差的测量是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。 1.2课题要求 本设计研究了一种可测20Hz-20kHz 内波形（正弦波、三角波、矩形波）数字相位差测量仪的设计方法。主要内容是以STC89C51为控制核心，实现对音频范围内的正弦交流信号的相位的测量，可测的信号相位差在0～360? 度范围内，测量精度可达0.1? 。两路信号（同频、不同相）通过过零比较器电路整形成矩形波信号，再通过鉴相器，D 触发器二分频得到相位差信号。这样就构成了相位测量系统的测量电路。再将该相位差信号送入单片机的外部中断端口，通过单片机对数据的处理，最后方可得到所要测量的相位差，并在液晶上显示出测量结果。 二、相位测量方案论证与选择 2.1设计方案论证 方案1：相位——电压转换法 相位--电压转换式数字相位计的原理框图如图2-1
目录 绪论 (1) 摘要 (2) 1 结构设计与方案选择 (3) 1.1 基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述 (4) 1.1.1 相位－电压法 (4) 1.1.2 相位－时间法 (5) 1.2 方案的比较与选择 (6) 2 相位－时间法单元电路的原理分析与实现方法 (6) 2.1 前置电路设计与分析 (6) 2.1.1 放大整形电路的分析与实现 (6) 2.1.2 锁相倍频电路的分析与实现 (7) 2.2 计数器及数显部分的设计与分析 (9) 2.2.1 计数器部分的分析与实现 (9) 2.2.2 译码显示部分的分析与实现 (10) 3 结论 (12) 4 参考文献 (13) 附录1：元器件名细表 (14) 附录2：相位时间法总体电路原理图 (15) 附录3：相位时间法总体电路PCB板 (16) 附录4：相位时间法总体电路PCB板3D视图 (17)
随着科学技术突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。数字相位差测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具，比如在电力系统中电网并网合闸时，需要两电网的电信号相同，这就需要精确的测量两工频信号之间的相位差。更有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中具备重要意义。相位测量的方法很多，典型的传统方法是通过显示器观测，这种方法误差较大，读数不方便。为此，我们设计了一种数字相位差测量仪，实现了两列信号相位差的自动测量及数显。近年来，随着科学技术的迅速发展，很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的使用比较简单，功能越来越多。 本低频数字相位测量仪主要是测量电压和电流的相位差，由整形放大电路、基本门电路、锁相倍频、计数译码等集成电路构成。测量的分辨率可达到0.1°，可测信号的频率范围为0Hz～250Hz，幅度为0.5Ⅴ，由于74HC4046的性能比较好，使得所制得的仪器精度相对较高，达到了任务书中所规定的要求。
存档日期：存档编号： 本科生（） 题目：基于FPGA和MCU的相位测量仪的设计 学院：电气工程及自动化学院 专业：电气工程及其自动化 XX大学教务处印制
随着社会和历史的不断进步，相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在低频范围内，数字式相位测量仪因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。 本文首先论述了相位测量技术的国内外发展概况，并根据现状设计了此相位测量系统。该设计包括系统设计的理论分析，系统结构设计及硬件实现，最终验证了该测量系统的可行性和有效性。 该设计采用单片机与FPGA相结合的电路实现方案,很好地发挥了FPGA的运算速度快、资源丰富、编程方便的特点,并利用了单片机的较强运算、控制功能,使得整个系统模块化、硬件电路简单、使用操作方便。文章主要介绍设计方案的论证、系统硬件和软件的设计,给出了详细的系统硬件电路图和系统软件主程序流程图。 关键词: 数字式相位测量仪单片机 FPGA 设计方案
Along with the social and historical progress, phase measurement technology is widely used in national defense, scientific research, production and other fields, on the phase measurement requirements are also gradually to high precision, high intelligent direction, in the range of low frequency digital phase measurement instrument, because of its high precision measurement resolution and highly intelligent, intuitive characteristics have been more and more widely applied. This text first discusses the phase measuring technology development in domestic and international, and according to the present situation designs the phase measuring system. The design includes system design theory analysis, system structure design and hardware realization, finally verified the feasibility and validity of the system. The bination of MCU and FPGA is adopted in the design .It has the features of FPGA high operating speed, abundant resources and convenient programming. And the use of MCU’s strong operation and control function, which makes the whole system modularized, the hardware circuit is simple and the operation is convenient. The paper mainly introduces the designs of the demonstration, hardware and software, the hardware circuits and main software program are given in detail.
课程设计报告 课程电子测量与虚拟仪器 题目相位差检测电路 系别物理与电子工程学院 年级08级专业电子科学与技术 班级08电科（3）班学号0502083（02 14 23 24）学生姓名崔雪飞陈祥刘刚李从辉 指导教师徐健职称讲师 设计时间2011-4-25~2011-4-29
目录 第一章绪论 (2) 第二章题目及设计要求 (3) 2.1题目要求 (3) 2.2设计要求 (3) 第三章方案设计与论证 (4) 3.1移相电路设计 (4) 3.2检测电路设计 (4) 3.3显示电路设计 (5) 第四章结构框图等设计步骤 (6) 4.1设计流程图 (6) 4.2模块分析 (7) 4.2.1 移相电路 (7) 4.2.2 检测电路 (7) 4.2.3 显示电路 (8) 4.3结果显示 (9) 4.4总电路图 (11) 第五章误差分析 (12) 第六章总结体会 (13) 第七章参考文献 (14) 附录 (15)
第一章绪论 随着电子技术和计算机技术的发展,电子设计自动化(E-DA) 技术使得电子电路设计人员在计算机上能完成各种电路的设计,性能分析和有关参数的测试等大量的工作。Multi-sim2001是加拿大InteractiveImageTechnologies公司2001年推出的Multisim最新版本,是一个专门用于仿真与设计的工具软件,它丰富的元件库中提供数千种电路元件,随时可以调用;它提供了多种测试仪器仪表,可方便的对电路参数进行测试和分析。移相器在新一代移动通信、电子战、有源相控阵和智能天线等系统中获得广泛的应用。移相器在电子系统中的主要作用是调整系统接收 /发射时电路中的信号相位。本文将介绍用Multisim软件的部分集成电路和控制部件等各种元件来完成移相电路的设计和仿真。 使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 相位差的测量是研究网络相频特性中必不可少的重要方面，如何使相位差的测量快速、精确已成为生产科研中重要的研究课题。 测量相位差的方法很多，主要有：用示波器测量；把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔，再换算为相位差；把相位差转换为电压，先测量出电压，再换算为相位差；与标准移相器进行比较的比较法（零示法）等。在测量相位差中主要有四种方法，即用示波器测量相位差、相位差转换为时间间隔进行测量、相位差转换为电压进行测量、零示法测量相位差。在此课程设计中主要用到的是相位差转换成计数脉冲数进行测量。
_____________________ 个人资料整翌_仅限学习使用_ 基于单片机的相位差测试仪的研究 摘要 提出了一种基于8051单片机开发的低频数字相位差测量仪的设计。系统以单片机8051 及计数器，显示管为核心，构成完备的测量系统。可以对1Hz?1000Hz频率范围的信号进行 频率、相位等参数的精确测量，测相绝对误差不大于1°采用数码管显示被测信号的频率、相位差。硬 件结构简单，程序简单可读写性强，软件采用汇编语言实现，效率高。与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。 关键词：相位差；单片机；计数器；数码显示管 Designsof Low frequency Digital PhaseMeasurement Based on Single Chip Abstract A new ki nd of low - freque ncy digital phase measureme nt in strume nt is reside nted which is based on 8051.This is a complete system whose core is based on sin gle chip 8051 and arithmometer
and charactr on .It may measure the freque ncy and phase of the sig nal which beg in from 1 Hz to _____________________ 个人资料整翌_仅限学习使用_ 1000Hz, absolute error is not more than 1 The data are displayed on numeral displayer. Hardware structure is simple and software is realized by compiling Ianguage. Compared with traditional circuit, it has many adva ntages of faster process ing speed, good stability and high ratio betwee n property and price. Keyword: phase difference single-chip compute; . Arithmometer；charactron tube 目录
目录 前言 (2) 一、功能特点 (3) 二、技术指标 (3) 三、结构外观 (4) 1.结构尺寸 (4) 2.面板布置 (4) 3.键盘说明 (5) 四、液晶界面 (6) 五、使用方法 (10) 六、打印功能 (13) 七、注意事项 (13) 附录：三相三线计量接线48种接线结果 (14) 差动保护正确矢量图 (16)
前言 随着电力行业的发展和微机综合自动化产品的推广应用，保护回路和计量回路的接线正确与否直接影响到电力系统工作的稳定性和电费计量的准确性，而这两点正是电力系统非常重要的两个方面。由于保护装置和高压计量装置的接线比较多，容易造成错误接线，而又不易被察觉，（尤其是差动保护的复杂接线，有时高低侧同时引入，又存在不同的联结组别，极易接错，而在平时运行中又可能不会误动或拒动，存在很大的隐患）。武汉华亿通电气有限公司根据现场测试需要，适时开发出SL型矢量分析仪。它集多功能于一身，即可做相位仪校验主变差动保护和母线差动的正确性，又可作为电参量测试仪测试电力系统必要的参数，还可用做三相三线电能计量接线检测仪器。采用dsp交流采样，可同时测量3路电压和6路电流模拟量，仪器首创9通道矢量同屏显示，人机对话界面友好，使用简便，大大方便了现场使用，是电力工作者的得力助手。
一、功能特点 1、大容量锂电池供电，连续工作长达4小时。 2、3路电压，6路电流矢量同屏显示，国内首创。 3、集保护矢量分析；相位伏安测试；电能计量接线矢量分析多种仪器于 一身。 4、大屏幕、高亮度的液晶显示，全汉字菜单及操作提示实现友好的人机 对话，触摸按键使操作更简便，宽温液晶带亮度调节，可适应冬夏各季。 5、用户可随时将测试的数据通过微型打印机将结果打印出来。 6、体积小重量轻：283×218×128，2kg 7、预留双USB接口，可外接优盘等移动存储设备。 二、技术指标 1、输入特性 电压测量范围：0~450V。 电流测量范围：0~6A。 2、准确度 电压、电流、频率：±0.2% 功率：±0.5% 3、工作温度：－15℃~ +40℃ 4、充电电源：交流160V~260V 5、绝缘：⑴、电压、电流输入端对机壳的绝缘电阻≥100M?。 ⑵、工作电源输入端对外壳之间承受工频2KV（有效值），历时1 分钟实验。 6、体积：32cm×28cm×13cm 7、重量：2Kg
目录 一、题目要求 ........................................................ 错误!未定义书签。 二、方案设计与论证 ............................................ 错误!未定义书签。 移相电路 ......................... 错误!未定义书签。 检测电路 ......................... 错误!未定义书签。 显示电路 ......................... 错误!未定义书签。 三、结构框图等设计步骤................. 错误!未定义书签。 设计流程图........................ 错误!未定义书签。 电路图 ........................... 错误!未定义书签。 移相电路图................... 错误!未定义书签。 检测电路图................... 错误!未定义书签。 显示电路图................... 错误!未定义书签。 四、仿真结果及相关分析................. 错误!未定义书签。 移相效果 ......................... 错误!未定义书签。 相位差波形........................ 错误!未定义书签。 相位差度数........................ 错误!未定义书签。 五、误差分析........................... 错误!未定义书签。 误差分析 ......................... 错误!未定义书签。 六、总结与体会......................... 错误!未定义书签。 七、参考文献........................... 错误!未定义书签。 八、附录............................... 错误!未定义书签。 元器件清单........................ 错误!未定义书签。
课程设计名称：电子技术课程设计 题目：基于集成运放的相位差检测 电路设计 学期：2016-2017学年第2学期 专业： 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 辽宁工程技术大学
课程设计成绩评定表
摘要 本课程设计主要要求是设计一个基于集成运放的相位差检测电路。整流滤波电路是提供直流电源的。首先，要把信号源进行移相，用到RC移相电路，配合上集成运放，然后同时把移相之前的信号源和移相之后的信号源给两个过零比较器，结果输出的不是高电平就是低电平，完成了对模拟信号转化成数字信号的任务。他们先异或，接着通过和一个来自555定时器的信号进行与逻辑，然后给在和计数器的clk端进行与逻辑，完成对周期长度和计时器的控制，达到采样的目的，最后数码管显示相位差。完成了相位差检测的功能。
目录 1、综述 2、原理及技术指标 3、单元电路设计及参数计算 3.1整流滤波电路 3.2 RC移相电路 3.3 555定时器电路 3.4计数器显示部分 3.5 参数计算 4、仿真 5、设计比较 6、结论 7、设计体会 参考文献
1 综述 振幅、频率和相位是描述正弦交流电的三个“要素”。以电压为例，其函数关系为 u=Umsin(ωt+φ0) 式中：U m 为电压的振幅；ω为角频率；φ0为初相位。 设φ=ωt+φ0,称为瞬时相位，它随时间改变，φ0是t=0时刻的瞬时相位值。两个角频率为ω1，ω2的正弦电压分别为 u 1=U m1sin(ω1t +φ1) u 2=U m2sin(ω2t +φ2) 它们的瞬时相位差为 Θ=(ω1t +φ1)- (ω2t +φ2) =(ω1-ω2)t+(φ1-φ2) 显然，两个角频率不相等的正弦电压（或者电流）之间的瞬时相位差是时间t的函数，它随时间改变而改变。当两正弦电压的角频率ω1=ω2=ω时，有 Θ=φ1-φ2 由此可见，两个频率相同的正弦量间的相位差是常数，等于两正弦量的初相位之差。在实际的工作之中，经常需要研究诸如放大器、滤波器等各种器件的频率特性，即输出、输入信号间的幅度比随频率的变化（幅频特性）和输出、输入信号间的相位差随频率的变化关系（相频特性）。尤其在图像信号传输与处理、多元信号的相干特性显得更为重要。 相位差的测量是研究网络相频特性中必不可少的重要方面，如何使相位差的测量快速、精确已成为生产科研中重要的研究课题。 测量相位差的方法很多，主要有：用示波器测量；把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔，再换算为相位差；把相位差转换为电压，先测量出电压，再换算为相位差；与标准移相器进行比较的比较法（零示法）等。在测量相位差中主要有四种方法，即用示波器测量相位差、相位差转换为时间间隔进行测量、相位差转换为电压进行测量、零示法测量相位差。
专业方向课程设计报告 课题名称：数字式相位差测试仪姓名： 学号： 班级： 专业： 归口系部： 起迄日期: 指导教师: 提交报告日期: 2015年12月18日
数字式相位差测试仪 目录 一、设计任务和目的 _________________________________ - 1 - （一）设计任务 ___________________________________ - 1 - （二）设计目的 ___________________________________ - 1 - 二、设计要求 ________________________________________ - 1 - 三、工作原理 _______________________________________ - 1 - 四、设计框图 _______________________________________ - 2 - 五、主要参考器件（软件仿真，用Proteus） ____________ - 2 - 六、各模块电路分析 _________________________________ - 3 - （一）移相电路部分_______________________________ - 3 - （二）放大整形电路部分___________________________ - 3 - （三）锁相倍频电路部分___________________________ - 4 - （四）计数器及数字显示部分_______________________ - 5 - （五）相位超前于滞后显示部分_____________________ - 6 - 六、仿真___________________________________________ - 7 - 七、心得体会 _______________________________________ - 8 - 八、参考文献 _______________________________________ - 8 - 附：数字式相位差总电路图_____________________________ - 9 -
目录 1.设计任务书。 2.设计方案概述。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理。 4.电路的组成及参数选择。 4.1整形电路及信号C的形成。 4.2滤波电路的参任务计划书。 4.3V/f变换电路的设计。 4.4 89C52内部资源的利用。 5.应用实例。 6.结论。 7.总结。 一、设计任务书 （一）任务 设计仿真一数字相位计 （二）主要技术指标与要求： （1）输入信号频率为0HZ～250HZ可调 （2）输入信号的幅度为0.5V （3）采用数码管显示结果，相位精确到0.1° （4）采用外部5V直流电源供电 （三）对课程设计的成果的要求（包括图表） 设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书。要求图纸布局合理，符合工程要求，所有的器件的选择要有计算依据。 二、设计方案概述 根椐设计任务书的要求，我们参考了一些相关资料书，经过小组的讨论分析，提出了一种用v/f变换测量交流电的相位差的新方法：首先产生出其幅度正比与相位差大小的直流电，再有v/f变换器转换成反映相位差大小的频率信号，在单片机的配合下，最终得到相位差。这种方法具有分辨率高，适应与大范围的各种输入频率等优点。 正弦交流电电信号相位差的测量可以用多种方法实现。比较直接的数字式测量方法是在已知信号周期的前提下用定时的方法测得相位差角对应的时间，然后根据已知的周期将其换算成相位差角度。但
是，这种方法的测量精度依赖于定时器的精度和分辨率。在信号频率较高或频率虽不高但相位差较小时，都可以出现较大的误差。另外，由于直接测量得到的是时间，相位差角要由这一中间结果与信号的周期运算后才能得到，所以周期的测量不可缺少，其测量的精度也将影响相位差的精度。 在此用一种新的思路进行相位差的测量，用v/f变换器把相位差转换成一个其频率与之成正比的脉冲列，通过计算在一定时间内的脉冲个数测量相位差角。这种测量方法与信号的周期无关，可以得到较高的精度。题达到了0.1的测量精度，与此同时工业运行控制中现场操作，修改和设置等问题也得到了很好的解决，以上这些都在工业运行中得到了厂方的认可。存在的问题主要是本仪器通用性很不强，很难在更大的范围应用和推广，只能运用与某些特定的企业。今后的工作主要硬件和软件的改进上，列入增加一些通用行很强的功能模块。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理 首先将输入的两个同频率但存在着相位差的信号进行整形，使之变成方波。如图1示A和B 再对A,B进行异或处理, 异或输出信号C 的脉冲宽度则反映相位差角.C 的脉宽T1对应的电角度是相位差角,C 的周期T2 是信号周期T 的1/2.如果信号角频率为w 则T1= /w. C为幅值为U 的方波其平均值Ud=UT1/T2=U 由此可见,C 的平均值( 亦即直流分量)仅与相位差角和脉冲幅 度有关与信号周期无关
《电子技术》课程设计报告课题：数字式相位差测量仪 班级电气1112 学号 1111205423 学生姓名孟雷 专业电气工程及其自动化 院系电气学院电子系 指导教师专业方向课程设计指导小组 淮阴工学院 电子信息工程系 2014年12月
一、设计目的与任务 《电子信息工程专业方向》课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在完成本专业所有课程学习后必须接受的一项结合本专业方向的、系统的、综合的工程训练。在教师指导下，运用工程的方法，通过一个较复杂课题的设计练习，可使学生通过综合的系统设计，熟悉设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，掌握必须提交的各项工程文件。其基本目的是：培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用电路设计和有关先修课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固，加深和扩展有关电子类方面的知识。 通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养： (1)独立工作能力和创造力； (2)综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力； (3)查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力； (4)工程绘图的能力； (5)编写技术报告和编制技术资料的能力。 二、设计要求 1、被测信号为正弦波(或者是方波)，频率为40~60Hz，幅度大于等于0.5V；相位测量精度为1度；用数码管显示测量结果。 2、主要单元电路和元器件参数计算、选择； 3、画出总体电路图； 4、提交格式上符合要求、内容完整的设计报告
三、总体设计 在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中,常常需要测量两列同频信号的相位差。例如,电力系统中电网并网合闸时,要求两电网的电信号之间的相位相同,这需要精确测量两列工频信号的相位差。相位测量的方法很多,典型的传统方法是通过显示器观测,这种方法误差较大,读数不方便。为此,我们设计一种数字式相位差测量仪,该仪以可编程逻辑器件(PLD) 和锁相环(PLL) 倍频电路为核心,实现了两列信号相位差的自动测量及数显。 相位差测量仪的原理框图(以分辨率为1°为例)如图1 所示。基准信号(相位基准) f R 经放大整形后加到锁相环的输入端,在锁相环的反馈环路中设置一个N = 360 的分频器,使锁相环的输出信号频率为360f R ,但相位与f R 相同,这个输出信号被用作计数器的计数时
高精度相位测量仪的介绍及测量 相位介绍 相位是与电路结构有关的参数。 相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。比如正弦交流电流，它的公式是i=Isin2πft。i是交流电流的瞬时值，I是交流电流的最大值，f是交流电的频率，t是时间。随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零。 相位(phase)是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。是描述讯号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，也称作相角。当讯号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360° 。常应用在科学领域，如数学、物理学等 相位调整 相位调整是指在有些超低音音箱上加装的一个控制机构。用于对超低音音箱所重放出的声音稍许加以延迟，从而让超低音音箱的输出能够和前置主音箱同相位，即具有相同的时间关系。 相位噪声 相位噪声是频率域的概念，是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。 如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。 相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。 相位差 两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。
单片机测量频率，占空比，相位差 1、 频率及占空比的测量 如上图所示，当脉冲的上升沿来临时，将定时器打开；紧接着的下降沿来临时，读取定时器的值，假设定时时间为t1；下一个上升沿来临时关闭定时器，读取定时器的值，假设定时时间为t2。t1即为1个周期内高电平的时间，t2即为脉冲的周期。t1/t2即为占空比，1/t2即为频率。 C 语言程序如下： TH0=0; //定时器高位，初值设为0 TL0=0; //定时器低位，初值设为0 T0_num=0; //定时器溢出次数，初值设为0 while(pulse); //pulse 为脉冲的输入引脚 while(!pulse); //等待上升沿来临 TR0=1; //打开定时器 while(pusl1); //等待下降沿来临 th1=TH0;tl1=TL0;num1=T0_num; //保存定时器值 while(!pusl1); //等待上升沿来临 TR0=0; //关闭定时器 th2=TH0;tl2=TL0;num2=T0_num; //保存定时器值 2、 相位差的测量 上升沿打开定时器 下降沿读取定时器值并保存 下一个上升沿关 闭定时器，读取 定时器值并保存
测量相位差的电路如上所示，待测量的两路脉冲分别作为两个D触发器的时钟输入，两个D触发器的输入端D及S端都接高电平，第一个D触发器的输出接第二个D触发器的R端，第二个D触发器的互补输出端接第一个D触发器的R端。从下面的波形图可以看出，第一个D触发器输出的脉冲信号的占空比乘以2π即为相位差。这样就将测量两路方波信号的相位差转化为测量一路方波 信号的占空比，就可以按照前面介绍的测量占空比的方法来测量了。
课程设计报告 课程电子测量与虚拟仪器课程设计 题目相位差检测电路 系别物理与电子工程学院 年级2008 专业电子科学与技术班级 2 学号 学生姓名 指导教师职称讲师 设计时间2011-3-28~2011-4-1
第一章绪论 (2) 1.1 相位差检测电路的介绍 (2) 1.2 相位差测量的简单介绍 (2) 第二章相位差检测电路 (3) 2.1 移相电路的设计 (3) 2.2 利用MULTISIM设计检测移相电路 (5) 2.2.1 仿真电路虚拟仪器参数调整 (6) 2.2.2移相电路的仿真与分析 (7) 2.3将相位差信号转换成直流电压信号检测 (9) 2.3.1将相位差信号转换成直流电压信号检测的原理 (9) 2.3.2 电路图及具体原理分析 (9) 2.3.3 仿真过程 (10) 2.3.4 系统测量的误差分析 (12) 主要参考文献 (13) 附录 (13)
第一章绪论 1.1 相位差检测电路的介绍 设计一个相位差检测电路，该电路可测试一个经过移相电路的信号（正弦波）移相后与原信号间存在的相位差，可由测试电路检测并显示。要求：设计移相电路；设计检测电路，可以使用MCU或者Labview；使用模拟式检测方法，将相位差信号转换成直流电压或者直流电流信号进行检测；要求分析系统最后的精度。 在此次的电子测量与虚拟仪器课程设计中，我们设计的相位差检测电路主要有两个模块，由这两个模块来实现对相位差的检测并用相应的器件来实现。第一个模块为移相电路，移相电路主要由两个放大器组成。一个放大器可以实现对输入信号进行0~900的移相，那么两个放大器可以实现对输入信号进行0~1800的移相。移相电路的结构比较简单，只要对放大器相应知识进行了解便能很快的设计出移相电路。在移相电路中还应用到了变位器和电容。通过调节变位器可以逐步实现每个度数的相位差；电容的作用则是实现对输入信号的滤波和使放大器工作在稳定的区域。第二个模块则是实现相位差的显示。此部分的模块主要由二极管、异或门以及放大器组成。二极管的作用是使信号工作在正负管压降之间，使电路快速的运行和工作。异或门有三个，异或门的作用主要是实现将信号与基准信号进行比较，将相位差转换成电压差的方法，然后通过电压表将电压显示，最后将电压放大一百倍即使所求的相位差。 1.2 相位差测量的简单介绍 振幅、频率和相位是描述正弦交流电的三个“要素”。以电压为例，其函数关系为 u=U m sin(ωt+φ0) 式中：U m 为电压的振幅；ω为角频率；φ0为初相位。 设φ=ωt+φ0,称为瞬时相位，它随时间改变，φ0是t=0时刻的瞬时相位值。两个角频率为ω1，ω2的正弦电压分别为
一、设计目的与任务 《电子信息工程专业方向》课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在完成本专业所有课程学习后必须接受的一项结合本专业方向的、系统的、综合的工程训练。在教师指导下，运用工程的方法，通过一个较复杂课题的设计练习，可使学生通过综合的系统设计，熟悉设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，掌握必须提交的各项工程文件。其基本目的是：培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用电路设计和有关先修课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固，加深和扩展有关电子类方面的知识。 通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养： (1)独立工作能力和创造力； (2)综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力； (3)查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力； (4)工程绘图的能力； (5)编写技术报告和编制技术资料的能力。 二、技术指标与要求 1、被测信号为正弦波(或者是方波)，频率为40~60Hz，幅度大于等于0.5V；相位测量精度为1度；用数码管显示测量结果。 2、主要单元电路和元器件参数计算、选择； 3、画出总体电路图； 4、提交格式上符合要求、内容完整的设计报告 三、工作原理
在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中,常常需要测量两列同频信号的相位差。例如,电力系统中电网并网合闸时,要求两电网的电信号之间的相位相同,这需要精确测量两列工频信号的相位差。相位测量的方法很多,典型的传统方法是通过显示器观测,这种方法误差较大,读数不方便。为此,我们设计一种数字式相位差测量仪,该仪以可编程逻辑器件(PLD) 和锁相环(PLL) 倍频电路为核心,实现了两列信号相位差的自动测量及数显。 相位差测量仪的原理框图(以分辨率为1°为例)如图1 所示。基准信号(相位基准) f R 经放大整形后加到锁相环的输入端,在锁相环的反馈环路中设置一个N = 360 的分频器,使锁相环的输出信号频率为360f R ,但相位与f R 相同,这个输出信号被用作计数器的计数时钟。被测信号f S 经放大整形再2 分频后得到的f S/ 2与f R/ 2 送入由异或门组成的相位比较电路,其输出脉冲A 的脉宽tp 反映了两列信号的相位差;利用这个信号作为计数器的闸门控制信号使计数器仅在f R 与f S的相位差tp 内计数,这样计数器计得的数即为f R 与f S 之间的相位差。于计数时钟频率为360f R ,因此,一个计数脉冲对应1°。计数的值经锁存译码后通过LED 数码管显示。这种测量方法可以从波形图图2 得到理解和说明。图中D 触发器用于判断f R 与f S 的相位关系,当Q 为1 时, f R 超前于f S ,相位取正值,符号位数码管显示全黑; 当Q 为0 时, f R 滞后于f S ,相位取负值,符号位数码管显示“ - ”。
电子设计竞赛报告 电子设计竞赛报告 题目: 数字相位测量仪设计报告 院系名称：电气工程学院专业班级：电气F1104班学生姓名：陈x超学号： 指导教师：教师职称：副教授 评语及成绩： 指导教师： 日期：
摘要 本设计提出了一种基于c8051f020单片机开发的低频数字相位测量仪的方案。主要包括相位测量模块、单片机最小系统、显示模块的设计。可以对低频率范围的信号进行相位等参数的精确测量，测相绝对误差不大于1°。相位测量模块采用对输入的两路信号（同频率、不同相位）通过比较器整形、鉴相器异或之后得到的相位差，输入到单片机的中断口进行数据采集处理；采用数码管显示被测信号的相位差。硬件结构简单，软件采用汇编语言实现，程序简单可读写性强、效率高。与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。 关键词相位差单片机比较器整形数码管
目录
1.方案设计 1.1设计方案论证 从功能角度来看，相位测量仪要完成信号相位差的测量。相位测量仪有两路输入信号，也是被测信号，他们是两个同频率的正弦信号，频率范围为20Hz~20KHz （正好是音频范围），幅度为U PP =1~5V ，但两者幅度不一定相等。 相位和相位差的概念[4]： 令正弦信号为： ()()0sin ?ω+=t A t A m （2.1） 2.1式中Am 称为幅值（最大值），且A A m 2=，A 称为有效值；()0 ?ωθ+=t t 称为相位，0?称为初相位，ω称为角频率。Am 、ω、0?称为正弦量的三要素。 只有两个同频率的（正弦）信号才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正 弦信号为： ()()()() 02220111sin sin ?ω?ω+=+=t A t A t A t A m m （2.2） 则相位差： ()()02010201???ω?ωθ-=+-+=t t （2.3） 由2.3式中可看出，相位差在数值上等于初相位之差，θ是一个角度 不妨令θωθT =，其中θT 是相位差θ对应的时间差，且令T 为信号周期，则有比例关系： θθ:360:T T = （2.4） 可以推导得到： ()360/?=T T θθ （2.5） 式子2.5中可以说明，相位差θ与θT 一一对应，可以通过测量时间差θT 及信号周期T ，计算得到相位差θ，这就是相位差的基本测量原理。 由于相位差的基本测量原理可知，相位差的测量本质上是时间差θT 及信号周期T 的测量，也就是时间的测量，而时间的测量不可避免地要用到电子计数器。 时间的测量有多种方法，而设计题目关于相位测量仪的技术指标要求会影响到我们对方案的选择，MCU 应用系统一般能较好的实现各种不同的测量及控制功能，往往还能满足一些设计要求比较高的技术指标，因此，我们在进行电子系统设计时，可用MCU 实现系统功能，完成系统指标。
应用8051单片机IP设计相位测量仪 摘要:本设计应用SOPC和8051单片机IP技术,设计一个高精度的相位差测量仪。通过在FPGA中嵌入8051单片机IP来取代单片机+FPGA方案中的实际的单片机,既节省了成本又充分利用FPGA内部资源。 关键词:相位测量仪SOPC 8051单片机IP Abstract:The design of Frequency Phase Measurement System is presented based on 8051 IP Core and FPGA.8051 IP Core,which embed in the FPGA,to replace the extra 8051 of the existing MCU+FPGA solution,saving the cost and make full use of FPGA internal resources. Key Words:Frequency Phase Measurement System;SOPC;8051 IP Core 相位差测量技术发展至今已深入到电子技术、工业自动化、智能控制及通信等众多领域。因此,设计一个高精度的相位差测量仪显得十分重要。当前国内的一般的解决方案是单片机+FPGA方案,其中FPGA完成高速的脉冲计数功能,而单片机则进行脉冲计数后的有关计算和LCD显示等的控制。此方案中的FPGA内部资源往往利用不足,造成比较大的浪费。本设计应用SOPC和8051单片机IP技术,通过在FPGA中嵌入8051单片机IP来取代单片机+FPGA方案中的实际的单片机。既少用一个实际的单片机又充分利用FPGA内部资源,