【正文】 劉峰 基于單片機的相位差測試儀的研究基于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)。可以對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Designs of Low frequency Digital Phase Measurement Based on Single ChipAbstract 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目 錄第一章 緒論 3 3 4第二章 小信號處理的構(gòu)成及基本原理 4　信號處理模塊 5 5 6 7 數(shù)字式相位測量儀 8 9 10第三章 計數(shù)部分的構(gòu)成和原理 11 11 11 12 12 12 13 16 18第四章 模擬仿真及結(jié)論 20 20 20 21第五章 原理誤差分析 23 23 23 23附錄 25設(shè)計回顧，收獲及心得體會 30感謝辭 31參考文獻 32第一章 緒論在實際工作中，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(dāng)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(dāng)工作頻率變化較大時，其誤差的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhǔn)確度不夠高。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(zhǔn)確度、穩(wěn)定度好于過零比較法。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,，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，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(dāng)?shù)姆糯?、整形、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(zhǔn)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, 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， 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。 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(dāng)輸入信號頻率變化時，RC網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)有不同的轉(zhuǎn)折頻率。根據(jù)公式 C21推導(dǎo)可得 C22取電容為44（由兩個22并聯(lián)），當(dāng)輸入信號頻率為100HZ時，由公式(C21)得，,取R=36KΩ；當(dāng)輸入信號頻率為1KHZ時，同理可得，R==。從公式（C22）中看到，輸入信號的幅度有所下降，所以在輸出后采用相同放大器，放大倍數(shù)為2。實際測試時相位只有43176?！?45176。，誤差主要是電阻，電容誤差產(chǎn)生。調(diào)整滯后移相部分的電容為54，超前移相部分的電容為30，實際測量移相范圍為51176?！?0176。，交好滿足了題目要求，因為要求最后的輸出信號峰峰值在1mV～200V內(nèi)變換，因此最后接電位器進行幅度衰減調(diào)節(jié)。方案一：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成器，在通過移相網(wǎng)絡(luò)移相輸出。這種方法能快速實現(xiàn)頻率變換，具有低相位噪聲以及所以方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻，分頻，混頻和濾波及移相環(huán)節(jié)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，容易產(chǎn)生雜散分量，且難以實現(xiàn)相位差1176。的精度。方案二：采用直接數(shù)字頻率合成（DDFS）技術(shù)。DDFS的工作原理是用高速ROM存儲所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求，用頻率控制字M為步進對相量增量進行累加，按照不同相位要求，用相位控制字K調(diào)節(jié)相位偏移量，用累加相位值加上相位偏移量后作為地址碼讀取存放在存儲器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)。經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，濾波即可得到所需波形。DDFS具有相對帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時間極短，相位誤差小，合成波形失真度低的優(yōu)點。通過控制頻率控制字M和相位控制字K，可以很方便實現(xiàn)頻率10HZ步進和相位步進1176。但是因為要用高速ROM存放正弦波形數(shù)據(jù)，占用較多資源，同樣存在價格昂貴的情況。方案三：采用集成函數(shù)發(fā)生器。集成函數(shù)發(fā)生器能夠很方便的產(chǎn)生所需要的正弦波形，而且通過調(diào)節(jié)電阻的阻值可以調(diào)節(jié)輸出頻率的變化，穩(wěn)定性也不錯。通過比較上述三種方案的優(yōu)缺點，結(jié)合實際情況，筆者決定采用第三種方案。為了得到20KHZ的方波脈沖，筆者應(yīng)用集成函數(shù)發(fā)生器8038并取電容C為1PF，變阻器的RPRP2的最大值為10KΩ。這樣就筆者得到所需要的方波脈沖。如圖3所示。為了實驗方便，筆者還用另外一片8038作為所要檢測的信號的發(fā)生器（正弦波），產(chǎn)生1HZ～1000HZ的正弦波，取RPRP2的最大值為1KΩ，電容C為1PF。 圖數(shù)字式相位測量儀（1）小信號處理部分整體結(jié)構(gòu)圖小信號部分主要由放大，放大限幅，電平轉(zhuǎn)換，數(shù)字整形四部分構(gòu)成。由于輸入的兩路信號幅度不確定，頻率不確定，邊沿不夠陡峭，而計數(shù)器和單片機測頻測相是相對TTL電平（數(shù)字信號）進行的，因此，我們必須對輸入信號進行放大整形。電路及參數(shù)如圖4所示。 圖－4如圖4 所示,由放大器，高速比較器LM311 、觸發(fā)器組成. 它將被測移相網(wǎng)絡(luò)的輸入模擬待測信號U1 和被測移相網(wǎng)絡(luò)的輸出信號U3 變成數(shù)字方波信號U2 和U4 ,送至異或門處理. 顯然,U1 和U3 是同頻不同相的信號,相應(yīng)信號的波形如圖－5 所示. 電路中的運放都采用LF353，它有10M帶寬，很好地滿足設(shè)計要求。實際測試中，在30KHZ的情況下，輸入信號仍能很好的整形。LP311為電壓比較器（過零比較器），起到把模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號的作用，為后面的計數(shù)器工作做好準(zhǔn)備。而74LS14為一施密特觸發(fā)器，可以消除數(shù)字波形中的毛刺，使波形穩(wěn)定。各主要相關(guān)元器件的管腳圖及功能介紹見附錄。 圖－5正弦信號由集成函數(shù)發(fā)生器8038產(chǎn)生。其內(nèi)部原理電路圖如圖6。當(dāng)電位器Rp1動端在中間位置，并且圖中管腳8與7短接時，管腳3和2的輸出分別為方波、三角波和正弦波。[C(R1+RP1/2)] 。調(diào)節(jié)RPRP2可使正弦波的失真達到較理想的程度為使輸入阻抗≥100KΩ，采用同相放大器，在輸入端并上一個100KΩ的電阻，這樣就能滿足要求。當(dāng)RP1動端在中間位置，斷開管腳8與7之間的連線，在+VCC與VEE之間接一電位器，使其動端與8腳相連，改變正電源+VCC與管腳8之間的控制電壓（即調(diào)頻電壓），則振蕩頻率隨之變化，因此該電路是一個頻率可調(diào)的函數(shù)發(fā)生器。如果控制電壓按一定規(guī)律變化，則可構(gòu)成掃頻式函數(shù)發(fā)生器。各管腳功能見附錄。圖－6 為了提高輸入阻抗和限制輸入幅度，在輸入端上并上一個R1=100KΩ的電阻和一組二極管（），這樣可以避免信號過多的衰減和因輸入過大而燒毀放大器。放大限幅分兩級，第一級采用同相放大器，放大的倍數(shù)取決于R2和R3，第二級他的作用是限幅，起限幅作用的是穩(wěn)壓管D1，為了使對正負(fù)