_____________________ 个人资料整翌_仅限学习使用_基于单片机的相位差测试仪的研究摘要提出了一种基于8051单片机开发的低频数字相位差测量仪的设计。
系统以单片机8051及计数器，显示管为核心，构成完备的测量系统。
可以对1Hz〜1000Hz频率范围的信号进行频率、相位等参数的精确测量，测相绝对误差不大于1°采用数码管显示被测信号的频率、相位差。
硬件结构简单，程序简单可读写性强，软件采用汇编语言实现，效率高。
与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。
关键词：相位差；单片机；计数器；数码显示管Designsof Low frequency Digital PhaseMeasurement Based on Single ChipAbstractA new ki nd of low - freque ncy digital phase measureme nt in strume nt is reside nted which isbased on 8051.This is a complete system whose core is based on sin gle chip 8051 and arithmometerand charactr on .It may measure the freque ncy and phase of the sig nal which beg in from 1 Hz to _____________________ 个人资料整翌_仅限学习使用_1000Hz, absolute error is not more than 1 The data are displayed on numeral displayer. Hardware structure is simple and software is realized by compiling Ianguage. Compared with traditional circuit, it has many adva ntages of faster process ing speed, good stability and high ratio betwee n property and price.Keyword: phase difference single-chip compute; . Arithmometer；charactron tube目录个人资料整理仅限学习使用第一章绪论1.1背景介绍在实际工作中，经常会遇到需要检测两个信号之间的相位差，这也是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。
在某些领域，精确地测量两个信号之间的相位差，具有很重要的意义。
相位检测和数据判决技术是电力系统自动控制和谐波分析与控制的关键技术，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，例如在电工仪表、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信号的相位差。
当电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这就需要精确测量两列工频信号的相位差。
传统的测量方法很多，有示波器测量法、转化为时间间隔法、电压测量法、零示法等。
有的相位计随着频率的变化其误差呈规律性变化，当工作频率变化较大时，其误差的变化远远超出了允许的范围随集成电路技术的发展，单片CPU的普及,用单片机组成的数字相位测量电路具有精度高、成本低的优点，日益受到人们的重视。
目前数字相位测量电路常采用过零比较法，此法受信号频率、时钟频率影响较大，在干扰较强时检测的准确度不够高。
1.2本设计的内容要求及方法本次设计的要求是基于单片机设计出能够测试出两同频信号的相位差，并且具有可调移相电路，该系统完成后将使被测电压，频率，相位信号幅值范围分别为1mV- 220V, 1HZ- 1000HZ被测信号差范围0 360。
测量误差小于1°。
该系统分为小信号部分，测试处理部分和显示部分。
本文介绍的检测方法不受信号频率的影响，准确度、稳定度好于过零比较法。
第二章小信号处理的构成及基本原理2.1 信号处理模块本文设计最大的特点是将两路信号通过74LS74双稳态触发器转换成一路脉宽信号，而脉宽的宽度为信号的相差,使得软件编程变得非常方便，也提高了精度•通过集成函数发生器产生两个频率可变的正弦信号波A和B,其中B言号接移相网络，产生滞后或超前的相位，此时，将A, B两信号通过稳压管限幅以达到合理的输入，经放大器放大、限幅，过零比较器整流等环节，形成较稳定的脉冲信号，然后接入异或门，提取滞后或超前的相位差所对应的脉冲信号，再通过计数器分别测量该相位差所对应的脉冲宽度Tx,以及周期Tnv或者fn ），整个计数器的工作状态由单片机控制，然后将Tx，Tx,输入单片机进行运算处理， ____ |，最后由共阳极数码显示管显示出信号B滞后于或超前于A勺相位和及其频率fn。
信号处理模块主要是对信号进行滤波，滤除干扰并进行适当的放大、整形、限幅，它与整型模块一同构成信号预处理电路，输出TTL电平,为相位差的检测作好准备.采用同相滞回比较器，以减小外加干扰，提高测量仪灵敏度，提高精度，同时增大输入阻抗•本例采用快速性能较好的LP311作比较器，以适应高频信号的测量要求,提高反应速度和测量精度•此电路还有过压保护的作用2.2具体方案论证2.2.1数字式相位测量仪方案一：采用单片机实现数字相位测量。
将两路输入信号分别通过放大，整形，过零比较，然后分别输入到单片机的两个外部中断，一个中断开启定时器，另一个中断关闭定时器，通过读取定时器值即可得到相位差。
该方案采用外部器件较少，电路简单。
但是，51系列单片机速度较慢，难达到相位绝对小于1 °的要求。
方案二：采用相差-电压测量法。
即通过数字鉴相器，如异或门鉴相电路输出相差脉冲，经过低通滤波器滤出直流成分＜含相位信息）。
此方案解决了模拟鉴相的频带限制，但测相精度不高。
方案三：如图-1采用单片机和计数器实现数字相位测量。
将两路输入信号分别通过放大，限幅，过零比较，再将两路整形后的信号输入到异或门，所得脉冲的宽度可以反映相位差的大小。
因为采用较高频率的晶振，因此对极小的相位差也能检测到。
且利用四个计数器和一个D触发器还可以对一路输入信号进行等精度测量，克服了单片机在低频或高频部分土1所引入的较大误差，提高了资源的利用率。
采用计数器和单片机实现，因为资源要求不高，所以采用资源相对较少，抗干扰能力更强，更便宜的计数器实现。
比较上述三种方案，方案一，方案二达不到设计要求，故采用方案三,222.移相网络移相可以有数字移相和模拟移相两种方案。
方案一：数字移相，单片机或FPGA空制高速ADC对一个周期内的信号进行多次采样，将数据保存在高速RAM中。
然后根据需要移相的大小，对量化数据的地址加上一个相位偏移量后输出。
该方案的优点是相移量可以很大<0°〜360°都可），并且精度高，数字控制方便。
但是一个周期内需要采样较多点，< 在20KZ下，为证1°的增量，必须采样360个点），对ADC速度，RAM速度要求高。
方案二；模拟移相，由R, C组成移相网络进行移相。
相移网络的基本组成单元电路如图其中图（a>, 超前移相网络，图<b）为滞后移相网络，通过电压跟随器隔离后用电位器合成，可以得到-90。
〜+90°任意相移角度。
图-2由于方案一实现难度较大，且价格比较昂贵，考虑到实际应用笔者采用方案二。
只有输入信号的频率与RC网络的谐振频率相同时，才有45°的相移，所以当输入信号频率变化时, RC网络也应有不同的转折频率。
根据公式C-2-1C-2-2推导可得取电容为44回＜由两个22匡并联），当输入信号频率为100HZ时，由公式（C-2-1＞得,,取R=36K Q ;当输入信号频率为1KHZ时，同理可得R=3.6189K Q取R=3.6K Q。
从公式＜C-2-2）中看到，输入信号的幅度有所下降，所以在输出后采用相同放大器，放大倍数为2。
实际测试时相位只有-43〜+45°，误差主要是电阻，电容误差产生。
调整滞后移相部分的电容为54回.，超前移相部分的电容为30回.，实际测量移相范围为-51 °〜50°，交好满足了题目要求，因为要求最后的输出信号峰峰值在1m\〜200V内变换，因此最后接电位器进行幅度衰减调节。
2.2.3信号发生器方案一：采用传统的直接频率合成器，在通过移相网络移相输出。
这种方法能快速实现频率变换，具有低相位噪声以及所以方法中最高的工作频率。
但由于采用大量的倍频，分频，混频和滤波及移相环节，导致结构复杂，成本高，容易产生杂散分量，且难以实现相位差1°的精度。
方案二：采用直接数字频率合成＜DDF$技术。
DDFS的工作原理是用高速ROM存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求，用频率控制字M为步进对相量增量进行累加，按照不同相位要求，用相位控制字K调节相位偏移量，用累加相位值加上相位偏移量后作为地址码读取存放在存储器内的波形数据。
经过D/A转换，滤波即可得到所需波形。
DDFS具有相对带宽很宽，频率转换时间极短，相位误差小，合成波形失真度低的优点。
通过控制频率控制字M和相位控制字K,可以很方便实现频率10HZ步进和相位步进1°。
但是因为要用高速ROM?放正弦波形数据，占用较多资源，同样存在价格昂贵的情况。
方案三：采用集成函数发生器。
集成函数发生器能够很方便的产生所需要的正弦波形，而且通过调节电阻的阻值可以调节输出频率的变化，稳定性也不错。
通过比较上述三种方案的优缺点，结合实际情况，笔者决定采用第三种方案。
为了得到20KHZ的方波脉冲，笔者应用集成函数发生器8038并取电容C为1PF,变阻器的昭、％最大值为10K Q。
这样就笔者得到所需要的方波脉冲。
如图-3所示。
为了实验方便，笔者还用另外一片8038作为所要检测的信号的发生器＜正弦波），产生1HA1000HZ的正弦波，取 R M、电的最大值为Q ,电容C为1PF。
图-32.3方案细化2.3.1、数字式相位测量仪＜1）小信号处理部分整体结构图小信号部分主要由放大，放大限幅，电平转换，数字整形四部分构成。
由于输入的两路信号幅度不确定，频率不确定，边沿不够陡峭，而计数器和单片机测频测相是相对TTL电平＜数字信号）进行的，因此，我们必须对输入信号进行放大整形。
电路及参数如图-4所示。
图—4如图4所示，由放大器，高速比较器LM311、触发器组成.它将被测移相网络的输入模拟待测信号U1 和被测移相网络的输出信号U3变成数字方波信号U2和U4 ,送至异或门处理.显然,U1和U3是同频不同相的信号,相应信号的波形如图—5所示.电路中的运放都采用LF353,它有10M带宽，很好地满足设计要求。