【正文】 數(shù)字相差檢測(cè)儀的制作 專 業(yè)： 電氣 班 級(jí)： XX班 學(xué) 號(hào)： XXXXXXXXXX 學(xué)生姓名： XXX 指導(dǎo)教師： XX 目錄摘要： 1Abstract: 1第一章 緒論 2 測(cè)量相位差的作用和意義 2 相位差測(cè)量的研究現(xiàn)狀 2 4第一章：最小二乘法以及快速傅里葉變換簡介 5：最小二乘法簡介 5 主程序流程圖 8 9 FFT算法的實(shí)現(xiàn) 10 AD采樣的使用 11 定時(shí)器的使用 12第三章：硬件電路設(shè)計(jì) 13 移相電路的設(shè)計(jì) 13 電壓跟隨器模塊 14 電源電路 16 變壓器簡介 16 單相全橋整流電路 16結(jié)論 17致謝 18參考文獻(xiàn)（Reference) 19附錄： 20基于最小二乘法的低頻數(shù)字相位差檢測(cè)儀的研究摘要：常見的相位差檢測(cè)方法一般是過零法，通過外部硬件電路對(duì)正弦信號(hào)的零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)出發(fā)MCU的外部中斷，通過MCU的定時(shí)器計(jì)算出信號(hào)的頻率以及相位差。但是，現(xiàn)實(shí)生活中的正弦信號(hào)，特別是電網(wǎng)提供的交流電，或多或少都會(huì)有失真，如果交流電在過零點(diǎn)處失真特別嚴(yán)重，就可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)不出零點(diǎn)或者檢測(cè)出多個(gè)零點(diǎn)，并且這種檢測(cè)方法外部硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。所以，本文提出的最小二乘法因其成本低，使用范圍廣，可靠性高而被廣泛應(yīng)用。主要方法是，在單周期內(nèi)對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行2N點(diǎn)的采樣，把離散化后的信號(hào)相乘，通過快速傅里葉變化分解出其中的直流信號(hào)，最終計(jì)算得到兩個(gè)正弦信號(hào)的相位差。關(guān)鍵詞：最小二乘法，快速傅里葉變換The lowfrequency digital phase detector based on leastsquare method researchAbstract: the phase difference detection method in mon is the zero passage method and through external hardware circuit of zero point of sine signal detection, produce the pulse signal of the external interrupt of MCU by MCU timer to calculate the frequency and phase difference of signals.Sine signal in real life, however, especially the alternating current power grid provided, there will be more or less distortion, if alternating current (ac) in a zero distortion is extremely serious, is likely to lead to detect the zero or detect more than zero, and the test method of external hardware circuit is more plex, high cost. So, in this paper, the least square method because of its low cost, wide use, high reliability and is widely used. The main method is, in a single cycle of two signals 2 n sampling points,After the discretization of the signal multiplied by fast Fourier change into the dc signal, finally the phase difference of two sine signals is calculated.Keywords: least squares method, fast Fourier transform第一章 緒論 測(cè)量相位差的作用和意義信號(hào)的相位差測(cè)量在電力系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、功率因素測(cè)量、諧波分析等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。相位差是工業(yè)領(lǐng)域經(jīng)常需要測(cè)量的一個(gè)參數(shù)，它是信號(hào)分析的基本任務(wù)，在實(shí)際工作中，經(jīng)常需要測(cè)量兩個(gè)同頻信號(hào)之間的相位差，來解決實(shí)踐中的各種問題。相位差測(cè)量與傳統(tǒng)電壓、電流信號(hào)、溫度量測(cè)量不同。首先，相位差依附于電壓、電流信號(hào)中，如何消除電壓、電流、頻率變化對(duì)相差測(cè)量的影響是相差測(cè)量中很重要的一個(gè)方面；其次，相差是一個(gè)比較量，測(cè)量兩路信號(hào)之間的相差不但需要保證兩路信號(hào)的頻率相同，而且需要排除信號(hào)幅值不同等其他因素造成的影響，所以如何準(zhǔn)確可靠得測(cè)量相差是一個(gè)值得研究的課題。在實(shí)際工作中，通常需要測(cè)量兩個(gè)同頻信號(hào)的相位差來解決實(shí)際問題。例如電網(wǎng)合閘時(shí)，需要保證兩電網(wǎng)電信號(hào)的相位相同，這時(shí)需要精確測(cè)量兩工頻信號(hào)之間的相位差，如果兩信號(hào)之間的相差不相同，就會(huì)有很大的沖擊電流流過電網(wǎng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的破壞，所以必須精確測(cè)量出兩信號(hào)之間的相位差。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，由數(shù)字電路組成的控制系統(tǒng)已經(jīng)變成現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的主流，人們對(duì)數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)也越來越重視。相差的數(shù)字測(cè)量采用液晶屏顯示，精度高，穩(wěn)定性好，讀數(shù)方便，所以，相位差的數(shù)字化測(cè)量有應(yīng)用前景很廣泛。 相位差測(cè)量的研究現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相位測(cè)量技術(shù)的發(fā)展也非常迅速，尤其在電氣、電力電子技術(shù)方面得到了極大的重視和發(fā)展。目前，相位測(cè)量技術(shù)已比較完善，測(cè)量方法及理論也比較成熟，相位測(cè)量儀已商品化和系列化，廣泛應(yīng)用于測(cè)量RC、LC網(wǎng)絡(luò)、放大器相頻特性以及依靠信號(hào)相位傳遞信息等方面的電子設(shè)備?，F(xiàn)代相位測(cè)量技術(shù)的可分為三個(gè)階段第一階段是在早期采用的如李妙育法、阻抗法、和差法、三電壓法等，這些測(cè)量方法通常采用對(duì)比法和平衡法，雖然方法簡單，但測(cè)量精度較低；第二階段是利用數(shù)字專用電路、微處理器等來構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，使測(cè)量精度得以大大提高；第三階段是充分利用計(jì)算機(jī)及智能化測(cè)量技術(shù)，從而大大簡化程序設(shè)計(jì)，增強(qiáng)功能，使得響應(yīng)的產(chǎn)品精度高、功能更全。同時(shí)，各種新的算法、測(cè)量手段和新的設(shè)計(jì)方法及器件也隨之出現(xiàn)。目前，國內(nèi)外提出了許多改進(jìn)的高精確度的相位差測(cè)量方法，主要包括有：（1） 采用專用的數(shù)字處理芯片，利用正余弦表格及快速傅立葉變換方法來計(jì)算相位差，可大大提高測(cè)量精度。（2） 采用新器件及設(shè)計(jì)方法來提高相差測(cè)量精度及展寬頻帶。、（3） 采用新的算法來改進(jìn)相差測(cè)量（4） 采用高精度相位測(cè)量設(shè)備，通過相位輸出信號(hào)，利用橋路與輸入信號(hào)相位進(jìn)行比較，從而測(cè)出相位差?；诓煌⑻幚硇酒惨验_發(fā)了許多不同的相位計(jì)，常見的有以下幾種：（1） 基于FPGA/CPLD的相差測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行功能仿真，而且FPGA和CPLD的片內(nèi)資源豐富，設(shè)計(jì)的流程簡單，缺點(diǎn)是開發(fā)成本高。（2） 基于單片機(jī)控制的相位差測(cè)量設(shè)備。該方法硬件上需要用到過零檢測(cè)及異或電路，將兩路輸入信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換成方波，再利用單片機(jī)測(cè)出該方波的占空比，并最終換算出電壓。（3） 基于DSP技術(shù)的相位計(jì)。相位檢測(cè)系統(tǒng)主要由前置放大電路實(shí)現(xiàn)將被測(cè)信號(hào)（無論是電壓還是電流）衰減為5V以內(nèi)交流電壓信號(hào)；由電壓跟隨器將前后級(jí)電路進(jìn)行隔離，以保證測(cè)量系統(tǒng)不吸收被測(cè)信號(hào)源的能量，保證信號(hào)源的工作狀態(tài)不被改變。（4） 基于PLD和PLL的相位計(jì)。該數(shù)字式相位差測(cè)量儀以可編程邏輯PLD和鎖相環(huán)PLL倍頻電路為核心，實(shí)現(xiàn)兩列信號(hào)相位差的自動(dòng)測(cè)量。在相位/頻率測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，美國一直處于遙遙領(lǐng)先的地位，主要的公司有Agilent（安捷倫）、Tektronix（泰克）、AD－YU公司、DRANETZ實(shí)驗(yàn)室。此外，俄羅斯，英國以及德國在此領(lǐng)域也具有較高水平。國外的主要產(chǎn)品有美國安捷倫構(gòu)思的53131IA型通用計(jì)數(shù)器，該產(chǎn)品提供10秒/位的頻率/周期分辨率和225MHz帶寬，測(cè)量結(jié)果范圍是1ns－10000s，時(shí)間分辨率為500ps，測(cè)相范圍為180176。－360176。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量包括相位、頻率、周期、時(shí)間間隔和上升/下降時(shí)間等。英國Avpower公司的高精度相位計(jì)SD1000：具有自動(dòng)設(shè)置量程的功能，測(cè)量頻率范圍高達(dá)700KHz，允許輸入頻率高達(dá)100GHz，相位測(cè)量范圍為180176。－180176。，在相位測(cè)量精度方面，低頻精度為177。，高頻精度為177。，微波為177。該產(chǎn)品被公認(rèn)為是目前等級(jí)最高的相位計(jì)，輸入信號(hào)幅值得范圍為1mV－350V。通過調(diào)研，目前國外商品化的通用相位計(jì)的水平低頻段達(dá)1xHz數(shù)量級(jí)。國內(nèi)相位計(jì)領(lǐng)域起步較晚，相位測(cè)量技術(shù)的研究開始于70年代，早期研究相位測(cè)量的單位和技術(shù)人員很少，國內(nèi)主要有天津中環(huán)電子生產(chǎn)商品化相位計(jì)，相位計(jì)量機(jī)構(gòu)是中國計(jì)量科學(xué)研究院和國防科工委，產(chǎn)品主要測(cè)量工頻信號(hào)。目前，國內(nèi)相位計(jì)產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)展迅速，如深圳創(chuàng)新儀器儀表SP312B系列等精度通用計(jì)數(shù)器/相位計(jì)，它以高性能的AVR單片機(jī)與CPLD為核心，測(cè)頻分辨率8位/秒，可測(cè)周期范圍10ns－7000s，測(cè)時(shí)范圍40ns－7000s，相位測(cè)量范圍0176。－360176。，176。，測(cè)量功能與Agilent 53131A型計(jì)數(shù)器基本相同，但測(cè)量指標(biāo)略低。此外還有天津中環(huán)科儀電子儀器公司HG4180型數(shù)字相位計(jì)，其特點(diǎn)包括：頻率范圍覆蓋范圍廣、測(cè)量精度高、不但能測(cè)量相位，而且能測(cè)量頻率、在全部頻率范圍內(nèi)都能直接得到五位有效數(shù)字的頻率讀數(shù)、具有IEE488借口選件，主要用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。總體來說，我國相位測(cè)量技術(shù)與國外相比還有較大的差距，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品種類少，配套產(chǎn)品少、產(chǎn)品測(cè)試功能單一、儀器精度、數(shù)字化和自動(dòng)化程度較低，相位計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)不完備。因此對(duì)高精度相位測(cè)量算法的研究和相位計(jì)產(chǎn)品化設(shè)計(jì)刻不容緩。當(dāng)需要測(cè)量大功率，高壓信號(hào)之間的相位差時(shí)，通常需要通過放大器或者變壓器先將大功率、高壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成小功率、低壓信號(hào)才能輸入到檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行相位差進(jìn)行測(cè)量。但現(xiàn)實(shí)中的器件往往與理論上有一些差距。受到器件的非線性、環(huán)境因素的影響，變換后的信信號(hào)總會(huì)出現(xiàn)或大或小的失真，在信號(hào)過零點(diǎn)出現(xiàn)震蕩。這樣，通過過零檢測(cè)的方法根本無法檢測(cè)相位差。這就需要有一種新的方法來進(jìn)行相位差測(cè)量。本設(shè)計(jì)主要是研究如何利用最小二乘法和快速傅立葉變換算法來測(cè)量相位差。通過對(duì)兩路信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)的采樣，在將采樣后的兩路信號(hào)相乘，通過快速傅立葉變換算法計(jì)算出相乘后的信號(hào)中的直流分量的大小。因?yàn)樵撝绷鞣至康拇笮H與兩路信號(hào)的幅值及其相位差有關(guān)系，所以可以在通過公式計(jì)算出相位差。應(yīng)用這種測(cè)量方法，不僅