【正文】 劉峰 基于單片機的相位差測試儀的研究 1 基于 8051 單片機的相位差測試儀的研究 設(shè)計 摘 要 提出了一種基于 8051 單片機開發(fā)的低頻數(shù)字相位差測量儀的設(shè)計。系統(tǒng)以單片機 8051 及計數(shù)器，顯示管為核心 , 構(gòu)成完備的測量系統(tǒng)?？梢詫?1Hz～ 1000Hz 頻率范圍的信號進行頻率、相位等參數(shù)的精確測量 , 測相絕對誤差不大于 1176。采用數(shù)碼管顯示被測信號的頻率、相位差。硬件結(jié)構(gòu)簡單 , 程序簡單可讀寫性強 ,軟件采用匯編語言實現(xiàn) , 效率高。與傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)相比 , 其有處理速度快、穩(wěn)定性高、性價比高的優(yōu)點。 關(guān)鍵詞 : 相位差；單片機 ； 計數(shù)器；數(shù)碼顯示管 劉峰 基于單片機的相位差測試儀的研究 2 Designs of Low frequency Digital Phase Measurement Based on Single Chip Abstract A new kind of low frequency digital phase measurement instrument is residented which is based on is a plete system whose core is based on single chip 8051 and arithmometer and charactron. It may measure the frequency and phase of the signal which begin from 1 Hz to 1000Hz, absolute error is not more than 1176。 The data are displayed on numeral displayer. Hardware structure is simple and software is realized by piling language. Compared with traditional circuit, it has many advantages of faster processing speed, good stability and high ratio between property and price. Keyword: phase difference； singlechip puter； . Arithmometer； charactron tube 劉峰 基于單片機的相位差測試儀的研究 3 目 錄 第一章 緒論 ..................................................... 5 ................................................. 5 ................................... 5 第二章 小信號處理的構(gòu)成及基本原理 .............................. 6 信號處理模塊 ........................................... 6 數(shù)字式相位測量儀 ................................... 6 ........................................... 7 信號發(fā)生器 ......................................... 8 ................................................. 9 、數(shù)字式相位測量儀 .................................. 9 信號發(fā)生器 ........................................ 11 .................................. 12 第三章 計數(shù)部分的構(gòu)成和 原理 ................................... 13 ................................................ 13 測相原理 .......................................... 13 電路結(jié)構(gòu) .......................................... 13 ................................................ 14 測頻原理 .......................................... 14 電路結(jié)構(gòu) .......................................... 14 ................................................ 18 輸出顯示部分 ........................................ 20 第四章 模擬仿真及結(jié)論 ......................................... 22 選擇 .......................................... 22 ........................................ 22 ............................................ 23 第五章 原 理 誤 差 分 析 25 ........................................ 25 劉峰 基于單片機的相位差測試儀的研究 4 ...................................... 25 位測量模塊的誤差 ...................................... 26 附錄 ........................................................... 27 設(shè)計回顧，收獲及心得體會 ........................................ 40 感謝辭 ......................................................... 41 參考文獻 ....................................................... 42 劉峰 基于單片機的相位差測試儀的研究 5 第一章 緒論 背景介紹 在實際工作中，經(jīng)常會遇到需要檢測兩個信號之間的相位差，這也是研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中不可缺少的重要方面。在某些領(lǐng)域，精確地測量兩個信號之間的相位差，具有很重要的意義。 相位檢測和數(shù)據(jù)判決技術(shù)是電力系統(tǒng)自動控制和諧波分析與控制的關(guān)鍵技術(shù) ， 相位差的測量是研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中不可缺少的重要方面 , 例如在電工儀表、同步檢測的數(shù)據(jù)處理以及電工實驗中，常常需要測量兩列同頻信號的相位 差。當電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時，要求兩電網(wǎng)的電信號之間的相位相同，這就需要精確測量兩列工頻信號的相位差。 傳統(tǒng)的測量方法很多 , 有示波器測量法、轉(zhuǎn)化為時間間隔法、電壓測量法、零示法等。有的相位計隨著頻率的變化其誤差呈規(guī)律性變化，當工作頻率變化較大時，其誤差的變化遠遠超出了允許的范圍 隨集成電路技術(shù)的發(fā)展 ,單片 CPU 的普及 ,用單片機組成的數(shù)字相位測量電路具有精度高、成本低的優(yōu)點 , 日益受到人們的重視。目前數(shù)字相位測量電路常采用過零比較法 ,此法受信號頻率、時鐘頻率影響較大 , 在干擾較強時檢測的準確度不夠高。 本設(shè)計的內(nèi)容要求 及方法 本次設(shè)計的要求是基于單片機設(shè)計出能夠測試出兩同頻信號的相位差，并且具有可調(diào)移相電路，該系統(tǒng)完成后將使被測電壓，頻率，相位信號幅值范圍分別為 1mV～ 220V， 1HZ～1000HZ，被測信號差范圍 0～ 360176。測量誤差小于 1176。該系統(tǒng)分為小信號部分，測試處理部分和顯示部分。本文介紹的檢測方法不受信號頻率的影響 ,準確度、穩(wěn)定度好于過零比較法。 劉峰 基于單片機的相位差測試儀的研究 6 第二章 小信號處理的構(gòu)成及基本原理 信號處理模塊 本文設(shè)計最大的特點是將兩路信號通過 74LS74 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成一路 脈寬信號 ,而脈寬的寬度為信號的相差 ,使得軟件編程變得非常方便 ,也提高了精度 .通過集成函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生兩個頻率可變的正弦信號波 A和 B，其中 B信號接移相網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生滯后或超前的相位，此時，將 A， B兩信號通過穩(wěn)壓管限幅以達到合理的輸入 ，經(jīng) 放大器放大、限幅，過零比較器整流等環(huán)節(jié)，形成較穩(wěn)定的脈沖信號，然后接入異或門，提取滯后或超前的相位差所對應(yīng)的脈沖信號，再通過計數(shù)器分別測量該相位差所對應(yīng)的脈沖寬度 Tx，以及周期 Tn（或者 fn），整個計數(shù)器的工作狀態(tài)由單片機控制，然后將 Tx， Tx，輸入單片機進行運算處理，??? 360TnTx? ，最后由共陽極數(shù)碼顯示管顯示出信號 B滯后于或超前于 A的相位 ? 和及其頻率 fn。 信號處理模塊主要是對信號進行濾波 ,濾除干擾并進行適當?shù)姆糯蟆⒄?、限?,它與整型模塊一同構(gòu)成信號預(yù)處理電路 ,輸出 TTL電平 ,為相位差的檢測作好準備 . 采用同相滯回比較器 ,以減小外加干擾 ,提高測量儀靈敏度 ,提高精度 ,同時增大輸入阻抗 .本例采用快速性能較好的 LP311 作比較器 ,以適應(yīng)高頻信號的測量要求 ,提高反應(yīng)速度和測量精度 . 此電路還有過壓保護的作用 數(shù) 字式相位測量儀 方案一：采用單片機實現(xiàn)數(shù)字相位測量。將兩路輸入信號分別通過放大，整形，過零比較，然后分別輸入到單片機的兩個外部中斷，一個中斷開啟定時器，另一個中斷關(guān)閉定時器，通過讀取定時器值即可得到相位差。該方案采用外部器件較少，電路簡單。但是，51系列單片機速度較慢，難達到相位絕對小于 1176。的要求。 方案二：采用相差 電壓測量法。即通過數(shù)字鑒相器，如異或門鑒相電路輸出相差脈沖，經(jīng)過低通濾波器濾出直流成分（含相位信息）。此方案解決了模擬鑒相的頻帶限制，但測相精度不高。 方案三：如圖 1采用單片機和計數(shù)器實現(xiàn)數(shù)字相位測量。將兩路輸入信號分別通過放大，限幅，過零比較，再將兩路整形后的信號輸入到異或門，所得脈沖的寬度可以反映相位差的大小。因為采用較高頻率的晶振，因此對極小的相位差也能檢測到。且利用 四 個計 劉峰 基于單片機的相位差測試儀的研究 7 數(shù)器和一個 D 觸發(fā)器還可以對一路輸入信號進行等精度測量，克服了單片機在低頻或高頻部分177。 1 所引入的較大誤差，提高了資源的利用率。采用計數(shù)器和單片機實現(xiàn)，因為資源要求不高，所以采用資源相對較少，抗干擾能力更強，更便宜的計數(shù)器實現(xiàn)。 比較上述三種方案，方案一，方案二達不到設(shè)計要求，故采用方案三， → 顯示→ 單片機計數(shù)器→去除抖動去除抖動→電平轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換→→ →→放大放大 →整形限幅整形限幅 圖 1 移相可以有數(shù)字移相和模擬移相兩種方案。 方案一：數(shù)字移相，單片機或 FPGA 控制高速 ADC，對一個周期內(nèi)的信號進行多次采樣，將數(shù)據(jù)保存在高速 RAM 中。然后根據(jù)需要移相的大小，對量化數(shù)據(jù)的地址加上一個相位偏移量后輸出。該方案的優(yōu)點是相移量可以很大（ 0176。 ～ 360176。都可），并且精度高，數(shù)字控制方便。但是一個周期內(nèi)需要采樣較多點，（如在 20KZ 下，為證 1176。的增量 ，必須采樣 360個點），對 ADC 速度， RAM 速度要求高。 方案二；模擬移相，由 R， C 組成移相網(wǎng)絡(luò)進行移相。相移網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元電路如圖其中圖 (a)為超前移相網(wǎng)絡(luò)，圖（ b）為滯后移相網(wǎng)絡(luò)，通過電壓跟隨器隔離后用電位器合成，可以得到 90176。 ～ +90176。任意相移角度。 （a ） （b ） 劉峰 基于單片機的相位差測試儀的研究 8 （ ）Ｗ/ ω Ｗ/ ωΦΦ 圖 2 由于方案一實現(xiàn)難度較大 ,且價格比較昂貴 ,考慮到實際應(yīng)用筆者 采用方案二。 只有輸入信號的頻率與 RC 網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率相同時，才有 45176。的相移，所以當輸入信號頻率變化時， RC 網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)有不同的