基于AD9901的高频高精度相位测量仪的研制_黄继江

相位差检测

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。

单片机数字相位差计的设计

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

相位差测量中高精度相位差测量仪的重要性

相位差测量中高精度相位差测量仪的重要性 相位差，物理学概念。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。一台高精度相位差测量仪对相位差的测量尤为重要。 相位差与相位的关系 （1）当j12>0时，称第一个正弦量比第二个正弦量的相位越前（或超前）j12； （2）当j12<0时，称第一个正弦量比第二个正弦量的相位滞后（或落后）|j12|； （3）当j12=0时，称第一个正弦量与第二个正弦量同相，如图7-1(a）所示； （4）当j12=±π或±180°时，称第一个正弦量与第二个正弦量反相； （5）当j12=±π/2或±90°时，称第一个正弦量与第二个正弦量正交。相位差示例 1.已知u= 311sin（314t- 30°） V，I= 5sin（314t+ 60°） A，则u与i 的相位差为jui= (-30°） - (+ 60°） = - 90°，即u比i滞后90°，或i 比u超前90°。 相位差的取值范围和初相一样，小于等于π（180°）.对于超出范围的，同样可以用加减2Nπ来解决. 2.研究交流电路的相位差.如果电路含有电感和电容，对于纯电容电路电压相位滞后于电流（电压滞后电流多少度也可以表述成电流超前电压多少度），纯电感电路电流相位滞后于电压，滞后的相位值都为π的一半，或者说90°.在计算电路电流有效值时，电容电流超前90，电感落后90，可用矢量正交分解加合. 加在晶体管放大器基极上的交流电压和从集电极输出的交流电压，这两者的相位差正好等于180°.这种情况叫做反相位，或者叫做反相. 正弦量正交（90°）和反相（180°）都是特殊的相位差. 目前，国内相位差测量仪生产厂家或研究单位明显存在着技术老化问题，其采用的器件、方法和技术与技术先进国家有较大的的差距。而最近发展的先进的

相位差检测电路

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。

高精度相位测量仪的介绍及测量

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。

基于集成运放的相位差检测电路设计

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。

高精度相位式激光测距的实现

高精度相位式激光测距的实现 施金钗，黄元庆 摘要：本文介绍了相位式激光测距基本原理，提出了一种提高测相精度的测距方法，并详细论述了差频测相和数字测相方法，最后对今后的发展前景进行了展望。 关键字：激光测距；相位式；差频测相；数字测相 Realization of Phase Laser Range Finding Shi Jinchai, Huang Yuanqing Abstract: The paper introduces the base theory of the phase laser range finder, and it introduce a method of range finding to improve the high precision. The technique of frequency difference and digital measurement of phase finding method are also proposed in detail. Eventually the prospect of their further study is suggested. Keywords: laser range finding, phase-shift, frequency difference of phase finding, digital measurement technique of phase finding 1 绪论 随着科学技术的不断发展，人类在民用和军事领域，对距离量的测量要求非常广泛。激光测距是集光学、激光、光电子及集成电子等多种技术为一体的综合性技术，与其它测距技术相比，激光具有角分辨力高、抗干扰能力强，可以避免微波贴近地面的多路径效应和地物干扰问题，并且具有天线尺寸小、质量轻、结构小巧、和安装调整方便等优点，激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器之一。由于以上各方面的原因，使得激光测距在测量领域得到了青睐，并被迅速推广应用，在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义[1]。 激光测距技术是最早用于军事上的激光技术。世界上第一台激光测距机于1961年诞生在美国休斯飞机公司 [2]，称为柯利达I 型，1962年第一台军用激光测距机便成功地进行了示范表演，之后该公司相继研制成几种实验型军用激光测距机在部队进行试验和鉴定，结果证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。1971年美国陆军首先装备了AN/GVS-3型红宝石激光测距机。供炮兵前方观察员或观察所使用。此后，各种型号的侦察用激光测距机相继装备各国的军队1963-1967年美国休斯公司相继研制成几种实验型军用激光测距机，1969年军用激光测距机首先装备军队[3]。 中国科学院上海光机所研制出便携式激光测距机，对漫反射水泥墙的测距达100m ，采用300MHz 计数方式，测距精度0.5m ，重复频率1KHz 。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距机，作用测距1KM ，精度处<±1m ，采用4M 晶振，运用了线性时间放大技术。常州莱赛公司研制了作用距离200m ，测距精度0.5m 的半导体激光测距机[4]。 2 相位测距基本原理 相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。这种方法测量精度高，通常在毫米量级。测距原理图如下图1。相位法测距就是间接的测定调制光波经过时间D t 后所产生的相位变化D ?，以代替测定时间D t ,从而求得光波所经过的路程D 。各参数间的关系为[5]： f D D D π?ω?22c 2c t 2c D ×=×=×= （1） 式中 c 为光波在空气中传播的速度；D ?为调制光信号经过被测距离D 而产生的相位移；ω为调制信号的 角频率，f 为调制信号频率。

高精度测相技术比较

高精度测相方法的研究和比较 摘要：相位测量技术的研究由来已久，最早的研究和应用是在数学的矢量分析和物理学的圆周运动以及振动学方面，随之在电力部门、机械部门、航空航天、地质勘探、海底资源等方面也相应得到重视和发展。随着电子技术和计算机技术的发展，相位测量技术得到了迅速的发展。本文主要阐述常用相位测量技术和数字测相，介绍这两种方法里面的一些具体测量手段并做了详细研究和比较。 关键词：常用相位测量技术；数字测相； The Study and Compare of Phase Measurement Technology WEI Kaiming, LIU Zhihao (University of Electronic Science and Technology of China, School of Automation Engineering) Abstract: Phase measurement technology research for a long time, is the earliest research and application of vector analysis in mathematics and the circular motion of physics science and vibration. Then in the electric power department, the department of mechanical, aerospace, geological exploration, undersea resources also pay attention to and develop corresponding. With the development of electronic technology and computer technology, Phase measurement technology got rapid development. This article mainly elaborates common phase measurement technology and digital phase, introduces the two methods in some specific measures and made a careful study and comparison. Key words:Common phase measurement technology；Digital phase measurement；Comparison 现代相位测量技术的发展可分为三个阶段:第一阶段是在早期采用的诸如阻抗法、和/差法、三电压法、比对法和平衡法等,虽然方法简单,但测量精度较低；第二阶段是利用数字专用电路、微处理器、FPGA、CPLD、DSP等构成测相系统,使测量精度得以大大提高；第三阶段是充分利用计算机及智能化虚拟测量技术,从而大大简化设计程序,增强功能,使得相应的产品精度更高、功能更全。 与此同时,各种新的算法也随之出现。目前国内外各种新的测量算法、测量手段和新的设计方法及器件也随之出现，主要包括有:用专用数字处理芯片,利用正余弦表格及傅立叶变换方法来计算相位差,可以大大提高测量精度。采用新器件及设计方法提高相位测量精度及展宽

相位差检测

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

数字相位差测量仪的设计

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

相位差检测

目录 一、题目要求 (2) 二、方案设计与论证 (2) 2.1移相电路 (2) 2.2检测电路 (2) 2.3显示电路 (3) 三、结构框图等设计步骤 (4) 3.1设计流程图 (4) 3.2电路图 (5) 3.2.1移相电路图 (6) 3.2.2检测电路图 (6) 3.2.3显示电路图 (7) 四、仿真结果及相关分析 (8) 4.1移相效果 (8) 4.2相位差波形 (8) 4.3相位差度数 (8) 五、误差分析 (9) 5.1误差分析 (9) 六、总结与体会 (9) 七、参考文献 (10) 八、附录 (10) 8.1元器件清单 (10)

一、题目要求 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： 1)设计移相电路； 2)设计检测电路，可以使用MCU或者Labview； 3)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； 4)要求分析系统最后的精度。 二、方案设计与论证 2.1移相电路 此次相位差检测电路的移相部分主要由RC移相电路构成，而RC移相电路主要利用了电容器的电流超前电压90度这一特性。 RC滞后移相电路是电阻器在前面，电容器在后面。输入信号从电阻器进入，输出信号是从电容器上输出。因为电容器要充电，所以电压要比电流滞后90度，等电容充满电后才有电压。输出电路是与电容器并联电压相等，所以输出电路的电压也滞后电流。RC超前移相电路是电容器在前面，电阻器在后面，电容器一样充电电压会滞后电流90度。 由于输入信号经过RC电路后，其幅值有一定的衰减，为了达到移相但不改变其幅值，我们在移相电路后追加了相应的放大器，以保证信号波形不变。 2.2检测电路 相位差的测量可以采用多种方法：一、将两个信号用模拟乘法器做乘法运算，得到的信号通过低通滤波器，将直流量分离出来，直流电压的大小反映了两个信号的相位差。二、采用两个比较器对信号进行过零比较，然后测量出两个上升沿之间的时间间隔，用时间间隔除以周期再乘以360就可以得到相位差。一般高

相位差测量电路设计

本科毕业设计 ( 20１５届） 题目：相位差测量电路的设计 学院:机电工程学院 专业:自动化 学生姓名：学号: 指导教师：职称(学位):讲师 合作导师:职称(学位）：完成时间:2015 年 5 月 28日 成绩: 黄山学院教务处制

原创性声明 兹呈交的设计作品，是本人在指导老师指导下独立完成的成果。本人在设计中参考的其他个人或集体的成果，均在设计作品文字说明中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此设计作品而产生的权利和责任。 声明人(签名)： 年月日

目录 摘要.................................................................................................错误!未定义书签。英文摘要.?错误!未定义书签。 1 绪论?1 1.１研究背景及意义?错误!未定义书签。 1．2 发展现状和发展趋势?错误!未定义书签。 1．2．1国外发展状况........................................................错误!未定义书签。 1.2.2 国内发展状况?错误!未定义书签。 1.2.3 发展趋势........................................................................错误!未定义书签。 2 相位差测量的基本原理.............................................................错误!未定义书签。 ２.1 相位的基本概念.............................................................错误!未定义书签。 2.２相位差测量原理?错误!未定义书签。 2.3 电路设计原理...................................................................错误!未定义书签。3设计与分析.. (6) 3.1 移相电路...........................................................................错误!未定义书签。 3.1.1 方案分析?错误!未定义书签。 3.1.2 移相电路设计................................................................错误!未定义书签。 ３．2 检测电路?错误!未定义书签。 3.2．1 方案分析?错误!未定义书签。 3.２.2 检测电路设计?错误!未定义书签。 3.2.3 LM３39特性分析?错误!未定义书签。 3.２．4 双稳态触发器?错误!未定义书签。 3．3 计数显示电路................................................................错误!未定义书签。 3.3.1 方案分析?错误!未定义书签。 ３.3.2 计数显示电路设计......................................................错误!未定义书签。 3.３．3 数码管工作原理?错误!未定义书签。 4 仿真与调试?错误!未定义书签。 5实验分析...................................................................................错误!未定义书签。总结?错误!未定义书签。 参考文献?错误!未定义书签。 致谢?错误!未定义书签。 附录?错误!未定义书签。

基于单片机的数字相位差测量仪

１７１ 　科技创新导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ 学　术　论　坛 基于单片机的数字相位差测量仪 刘玉宾 刘许亮 （黄河水利职业技术学院 河南开封 ４７５００４） 摘　要：该系统采用单片机作为控制中心，应用了过零检测电路、锁相环倍频技术、计数电路、译码显示电路，实现了正弦信号相位差检测及相位差值显示，分辨率为１°，能满足低频信号相位差值测量要求。关键词：相位差 锁相环 过零检测 单片机中图分类号：ＴＶ２１文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００７）１１（ｃ）－０１７１－０２ 在波形检测中，若采用示波器观察两路正弦波，则只能显示正弦信号相对位置，信号的相位差值不能量化显示。为了解决这个问题，本文介绍了一种通用性强、分辨率较高、能显示相位差值的测量系统。该系统采用了单片机作为控制中心，应用锁相环倍频电路、计数电路、译码显示电路，实现了正弦信号相位差检测及相位差值显示。 １　工作原理概述 该系统实现了对两路正弦信号的相位差检测，并显示相位差值，分辨率为１°。１．１　系统构成 选用８９Ｃ５２单片机作为各个工作模块的控制中心。采用过零比较电路将正弦信号转化为ＴＴＬ电平信号，以实现和单片机接口。相位差值的测量，采用可预置数十进制计数器进行计数。计数器计数值的输出即为相位差值，通过译码电路译码显示。１．２　信号流程描述 基准信号ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ＿Ｓ１，频率ｆ，经过过零比较，产生频率为ｆ的ＴＴＬ电平方波信号ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ１。ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ１经过３６０倍倍频，输出ｍｕｌｔｉｐｌｙ＿Ｓ１，频率为３６０ｆ。将ｍｕｌｔｉｐｌｙ＿Ｓ１作为计数电路的计数脉冲，同时将ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ１连接到单片机的外部中断ＩＮＴ０；另一路正弦信号Ｓ２，经过零比较，输出的ＴＴＬ电平方波信号ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ２接到单片机的外部中断ＩＮＴ１。当单片机外部中断ＩＮＴ０响应，即检测到ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ１的下降沿时，接通计数脉冲控制开关，ｍｕｌｔｉｐｌｙ＿Ｓ１送往计数器；外部中断ＩＮＴ１响应，即检测到ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ２的下降沿时，断开计数脉冲控制开关，将计数器值送往ＢＣＤ译码器，驱动数码管显示两路正弦信号的相位差值。１．３　相位差值计算 Δｐ＝（Δｔ／Ｔ）×３６０Δｔ＝ｔ１－ｔ０＝ｔ３－ｔ２Ｔ＝１／ｆ 其中：Δｐ为相位差值； ｆ为信号ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ＿Ｓ１频率； Δｔ为两路信号的时间差。 ２　硬件电路设计 硬件系统由控制电路、过零比较电路、倍频电路、计数电路、译码显示电路五部分构成。采用单片机８９Ｃ５２作为整个系统的控制中心，主要完成对ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ１、ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ２下降沿的检测，并对控制计数脉冲开关。过零比较电路则采用工作于＋５Ｖ单电源方式，转换速率高，开环增益高的ＬＭ２９０１比较器实现。为了达到对输入信号相位值分辨率为１°的精度，采用７４ＨＣ４０４６锁相环和ＣＤ４０４０组成３６０倍频电路，以满足系统要求。计数电路用可预置数的十进制计数器７４ＬＳ１９０，可直接将计数值送往ＣＤ４５１１译码驱动显示。 硬件系统结构框如图２。２．１　时序逻辑控制电路 在系统中，单片机外部中断ＩＮＴ０、外部中断ＩＮＴ１检测ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ１、ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ２的下降沿，分别进入外部中断ＩＮＴ０和外部中断ＩＮＴ１服务程序。在ＩＮＴ０中断服务程序中，将计数脉冲控制开关打开，计数器开始计数，同时译码器的锁存端有效；当进入ＩＮＴ１中断服务程序时，计数脉冲控制开关关闭，停止计数，译码器译码，驱动数码管显示。２．２　过零比较部分 正弦信号过零比较采用ＬＭ２９０１芯片，该芯片能对微弱信号进行比较、放大、整形为ＴＴＬ电平信号。ＬＭ２９０１工作于＋５Ｖ单电源方式，转换速率高，开环增益高。ＬＭ２９０１构成的过零比较器电路如图３所示。２．３　倍频技术 倍频技术采用锁相环实现，７４ＨＣ４０４６为锁相电路，将ＣＤ４０４０接成３６０进制的计数器，计数器的进位位通往７４ＨＣ４０４６的３脚输入端，作为锁相环的反馈回路。 锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称ＰＬＬ。锁相环主要由相位比较器（ＰＣ）、压控振荡器（ＶＣＯ）、低通滤波器三部分组成，如图４所示。 Ｎ进制的计数器的进位位作为锁相环的反馈回路，ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ１为７４ＨＣ４０４６锁相电路 的另一输入端。ｓｑｕａｒｅ＿Ｓ１和反馈回路信号的相位比较后自动调节，使得７４ＨＣ４０４６的输出端的频率变化，直到７４ＨＣ４０４６的两路输入端的输入信号的相位锁定为一恒定值。当基准信号频率输入改变时，７４ＨＣ４０４６的相位比较器输出电压发生改变，控制内部的压控震荡器的震荡频率作相应的改变，经过Ｎ进制反馈回路后，通往锁相电路输入端，直到７４ＨＣ４０４６的两路输入端的输入信号的相位锁定为一恒定值，实现输出信号频率为输入信号的Ｎ倍。 ７４ＨＣ４０４６构成的倍频电路如图５所示。 ３　软件设计 ３．１　软件结构及功能描述 系统软件共分３个功能模块。 （１）初始化程序模块：该模块对单片机的外部中断进行初始化设置以及译码器、计数器初始状态设置。 （２）外部中断ＩＮＴ０服务程序：该模块控制计数器清零操作、译码器锁存、接通计数脉冲控制开关。 （３）外部中断ＩＮＴ１服务程序：该模块控制计数脉冲开关断开、译码器数据送往显示电路显示。 ３．２　软件流程图及源代码 单片机是整个系统的控制中心，通过检测前向通道的信号，对计数电路、译码显示电路进行逻辑控制。其软件设计控制流程如图６所示，部分程序段如下。 初始化程序模块： ＭＡＩＮ：ＣＬＲ Ｐ１．０；断开计数脉冲开关ＳＥＴＢ　Ｐ１．１ ；＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ＣＬＲ Ｐ１．１ ；７４ＬＳ１９０＿ＰＬ送一负脉冲，置数为０ ＳＥＴＢ　Ｐ１．１ ；＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ＣＬＲ Ｐ１．２ ＳＥＴＢ　Ｐ１．２ ；　ＣＤ４５１１＿ＬＥ锁存有效ＣＬＲ Ｆ０ＳＥＴＢ　ＥＴ０ ＭＯＶ ＴＭＯＤ， ＃０ １ Ｈ

基于单片机的相位测量仪电路设计(完整版)

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。 - 2 -

数字相位差测量仪设计(精)

引言 相位差测量数字化的优点在于硬件成本低、适应性强、对于不同的测量对象只需要改变程序的算法，且精度一般优于模拟式测量。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率信号之间的相位差。例如，电力系统中电网并网合闸时，需要求两电网的电信号的相位差。相位差测量的方法很多，典型的传统方法是通过示波器测量，这种方法误差较大，读数不方便。为此，我们设计了一种基于锁相环倍（分）频的相位差测量仪，该仪器以锁相环倍（分）频电路为核心，实现了工频信号相位差的自动测量及数字显示。 论文摘要 本系统为低频数字式相位/频率测量仪，由移相网络模块、相位差测量模块及频率测量模块三大部份构成，其系统功能主要是进行相位差测量及频率测量。 移相网络主要是由RC 移相电路和LM324运放电路组成，将被测信号送入移相网络，经RC 移相、LM324隔离放大，产生两路信号，一路为基准信号经过波形转换，另一路为移相后的信号。分别经过波形转换、整形、二分频送给相位测量模块及频率测量模块。 相位差测量仪主要是由锁相环PLL （Phase Lock Loop）产生360倍频基准信号和移相网络的基准信号与待测信号进行异或后的信号作为显示器的闸门电路和控制信号。 频率测量模块主要是用计数法测量频率的，它是有某个已知标准时间间隔Ts 内，测出被测信号重复出现的次数N ，然后计算出频率f=N/Ts. 显示电路模块主要是由计数器、锁存器、译码器和数码管组成。 低频率数字相位测量仪 目录

1设计任务书……………………………………………………………………………….3 2设计方案概述……………………………………………………………………………3 3系统的组成………………………………………………………………………………4. 3.1总体框图 (4) 3.2移相网络部分 (4) 3.3相位测量部分 (6) 1 波形转换、整形放大 (8) 2 锁相环倍频 (9) 3 闸门电路 (11) 4 控制门 (11) 5 计数器 (11) 6 锁存器 (11) 7 显示译码器与数码管 (11) 3.4频率测量部分 (12) 1 数字频率计的基本原理 (12) 2 系统框图………………………………………………………………………12 4附录……………………………………………………………………… - 1 -