相位差的数字测量

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1、摘要本设计的研究目的是设计出一台低频数字式相位测量仪。本设计以STC12C5A60S2单片机为设计核心，对单片机进行编写程序，实现数据采集、相位计算的功能。本设计的基础模拟电路硬件电路包括信号放大电路，整形电路，异或门电路，单片机最小系统以及显示电路。实现了对信号的放大，限幅、整形以及对相位的测量、计算与显示的操作。关键词：相位测量，单片机，信号处理目录摘要1第一章 引言31.1 研究目的及意义31.2 相位测量仪的发展情况31.3主要研究内容4第二章 总体方案设计52.1 几种相位测量方案比较52.2 本文总体设计方案6第三章 系统硬件电路73.1 信号处理电路73.2 单片机最小系统83.

2、3 显示电路9第四章 系统软件10第五章 总结12参考文献13第一章 引言1.1 研究目的及意义在电子测量技术中，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

3、，还可以为节约能源提供参考。1.2 相位测量仪的发展情况在相位测量仪发展的历程中，可以有三个主要的阶段来介绍。第一阶段：20世纪60年代之前，主要是运用对比法和平衡法来测量相位。具体的方法有阻抗法、三电压法和差法等等。这属于人们比较早期探索的方法，所以这种方法尽管比较简单，但测量精度是此方法的致命伤。第二阶段：20世纪60年代到70年代这段时间，测量相位的方法是通过由数字电路和微处理器形成的系统。现在的这个阶段探索的方法已经比较成熟，相较与第一阶段，测量精度已经提高了许多。第三阶段：20世纪80年代之后，此阶段就主要是运用计算机和智能化技术来测量相位。这一时期就是是发展最快的时期。我们探索到了

4、大量的优良的算法、测量手段、设计方法。主要是利用集成电路、载入程序，智能化更趋明显。以上是相位测量方法的几个发展阶段。下面我要介绍国际，国内对测量相位技术的掌握程度和发展水平。国际上，对相位测量技术研究有突出作用的，主要是美国和俄罗斯两个国家。在他们国家，不管是低频还是甚高频，都达到了很高的标准。他们通用的相位计的最高性能指标如下：(1)一般相位测量仪可以测量范围为360度的相位，少数相位仪也可测量出720度的相位。(2)从数量级为uHz的低频到100GHz的甚高频都可以被相位仪测量。(3)相位准确度也很高，但不同的频率准确度不太一样。低频正负0.002度，高频正负0.20度，微波正负0.5度

5、。而在国内，在20世纪60和70年代这段时期，出现了很多的研究所，并且初见成效。我国相位测量的基础就在这样的背景下得到了非常稳固的奠定。从80年代开始，人们才对微处理器技术有了一些研究，并广泛的应用到了工业中。在这种背景下，生产出来了多种型号的电子相位测量仪。使相位测量仪得到了技术的改革。如今，我们制作的电子测量仪都是充分利用计算机技术和只能测量的技术。计算机永远有我们探索不完的知识，也总是会给我们很多技术创新上面的惊喜。如果想让我们现在的相位测量仪的精度和性能再次得到大幅度的提高，我们只能付出更大的努力来探索更多新的方法和技术。1.3主要研究内容本设计研究了一种可测20Hz-20kHz内任意

6、频率数字式相位测量仪的设计方法。主要内容是以STC12C5A60S2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0360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，再通过单片机进行时间差的测量以及信号周期的测量，得到相位差的数值。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。第二章 总体方案设计2.1 几种相位测量方案比较方案一: 示波器法测量相位差示波器是我们实验室中很常见设备，它主要是通过双踪显示功能来测量相位。这种方法操作很简单，数据很直观，而

7、且测量的频率范围也很广。也可以测量电路内部的固有相移。但是由于相位测量仪应用于工业发展的各个方面，使用非常广泛。但是示波器不仅体积大，而且速度和准确性都不好。当今，高科技极大的改变了我们的生活，像这样传统的模拟指针式仪表已跟不上时代的脚步。因此这一方法已经被淘汰。方案二：补偿法测量相位差首先获取两路相位不同的正弦信号，然后把这两路信号输入到已校准的移相器中。利用移相器来调节其中一路信号，然后通过指示器观察这两路信号，指示出两路信号相位相等（0度），或指示出反相（180度）为止。最后根据移相的分度曲线来确定相位差。上面介绍的测量方法就是补偿法，误差大概在0.1左右。 根据补偿法测量相位的硬件框图

8、来看，此种方法还需要一个指示器，一般是选择示波器，把两路信号输入到示波器的端口，这两个端口选择垂直输入端口和水平输入端。在荧光屏上出现的是椭圆，调节移相器，椭圆的形状会发生变化。当椭圆拉成直线时，则两路信号同相或是反相。这种方法操作起来也很麻烦，相较于方案一，只是精度稍微好一点。依然不太适合广泛应用于工业，此方案同样淘汰。方案三：数字化测量相位差直读式数字相位计是目前在工业领域很常见的，很实用的，它的主要原理就是计数器的测量功能，测量出时间间隔，然后整合计算得出相位差。前面两个方案采用模拟电路振荡来进行设计相位测量仪，这里面需要很多硬件，所以功能不容易实现而且电路十分复杂，而且还有一些自己计算

9、的步骤。这样不仅使用不方便，而且还有误差比较大也就是此方案的精度很难达到设计要求，因此本设计不采用。方案三采用数字化测量，首先将输入的两路信号经信号处理电路得到所要求的方波信号，然后把经过处理的信号输入到数字处理系统，这里可以交给FPGA、单片机或者DSP等数字系统。由于单片机具有体积小，成本低、集成度高，运算较快，操作简单等特点，因此这里选用单片机进行相位差的数字测量。2.2 本文总体设计方案在进行相位差的数字测量的时候主要应用两种方法，即把相位差转换为电压来测量，把相位差转换为时间间隔来测量。这里选用相位-时间转换法作为相位测量的实现方案。相位-时间转换式数字相位计的原理框图如下图1所示。

10、图1 数字式相位计原理框图其中，E1和E2为频率相同、相位差x的两个被测正弦信号，经过放大和整形之后变成两个方波，之后经过异或门电路可以得到两个信号的时间差信号，并送给单片机。E1信号经过整形之后作为两个信号的频率信号直接送给单片机。单片机在获取时间差T以及频率f之后可得相位差为： x=-2TT通过单片机计算出相位差之后，编写相应的显示程序，使用液晶显示屏LCD显示出来。第三章 系统硬件电路根据设计的要求可以确定出系统的硬件电路包括信号放大电路，整形电路，单片机最小系统以及显示电路等部分组成。3.1 信号处理电路信号处理电路主要是对两路正弦信号的整形与放大，其电路组成包括放大电路、限幅电路、整

11、流电路，其电路原理图如图2所示。图2 信号处理电路图其中A、B为两路相同频率不同相位的待测正弦信号。首先对正弦信号进行放大处理，这里采用集成运放构成的比例放大电路来完成。然后进行一定的限幅处理之后对信号开始整形。这里首先通过一个过零比较器来比较将正弦波进行处理，然后经过555定时器最终输出方波信号。输出的方波信号QA与QB分别接到单片机的INT0和INT1引脚，这是两个中断引脚，进而方便程序的编写计算。3.2 单片机最小系统系统采用STC12C5A60S2系列单片机作为信号处理运算的控制芯片，STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高

12、速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。单片机最小系统的组成包括单片机，复位电路和时钟电路，其最小系统电路如下图3所示。图3 单片机最小系统图3.3 显示电路显示电路使用LCD1602进行相位的显示，其接口如图4所示。其中数据端口接到单片机的P0端口，控制引脚RS、RW、EN分别接单片机的P2.0、P2.1、P2.2端口。图4 LCD接口电路图第四章 系统软件系统软件主要是对单片机内程序的编写，以完成对相位测量的计算转换等任务

13、，最终实现相位差的显示。在硬件电路部分已经对正弦信号进行了整形放大处理并将不同相位的方波信号输入到了单片机，之后便通过编写单片机程序进行相位差的测量计算。在程序的最开始首先进行初始化操作，这里主要是设置单片机的工作频率为1T模式，并初始化外部中断以及定时器中断，此外还有LCD显示的初始化操作。之后通过外部中断以及定时器判断出输入的两路信号的时间间隔T，并读取出单个信号的时间周期T。之后单片机根据公式x=-2TT计算出最终的相位差值，并调用显示程序显示在LCD上。其主程序流程图如图5所示。图5 程序流程图第五章 总结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

14、要内容是以STC12C5A60S2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0360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，再通过单片机进行时间差的测量以及信号周期的测量，得到相位差的数值。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。本文给出了相位差数字测量的基本原理以及具体实施方案，并能够满足设计的基本需求。然而，对于输入信号幅度过大，或者测量频率范围更大的频率还存在很多的不足。在之后的实践与学习过程中需要进一步的进行研究，以解决设计中存在

15、的不足。参考文献1 华成英、童诗白.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2006年第4版2 康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社.1999年第4版3贾立新、王涌、陈怡著，电子系统设计与实践.清华大学出版社 .2014年一月第3版4 潘松、黄继业著，EDA技术实用教程.科学出版社.2006年9月第3版5王振红、张常年著，全国大学生电子设计大赛赛前训练题精选.化学工业出版社.2010年6月第1版6冯涛、王程著，可编程逻辑器件开发技术.电子工业出版社.2002年7张厥胜、张会宁、邢静.锁相环频率和成器.电子工业出版社.1997年8基于FPGA的低频相位测试系统设计,期刊论文微计算机信息 ，2012年 李宝营等9低频数字相位测量仪的设计与实现.期刊论文t天津师范大学学报，2012年 尹晓慧等10低频数字相位测量仪的设计期刊论 文中国科技信息，2009年 第8期康占义等12