原创 低频数字相位测量仪设计（原创）

<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /><?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />本文为本人电子设计竞赛的作品,由于图片较多，请下载阅读，给您代来不便.

低频数字相位测量仪

摘要

该低频数字相位测量仪以SPCE<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />061A最小系统为控制核心，由移相网络，相位测试仪，数字移相信号发生器，键盘/显示等功能模块组成。其中移相网络由阻容网络构成。相位测试仪对移相信号进行处理后进入单片机，由单片机计算显示相位差。数字移相信号发生器由单片机控制实现，通过键盘/显示模块实现参数预置以及数据显示，。本硬件电路用了EDA工具，软件设计采用模块化的编程方法。经过分析实测，该测量仪能够测量的正弦信号的频率范围为20Hz～20kHz,，峰～峰值可以分 别 在1v～5v范围内变化，而且输入阻抗大于100k。并且可以测量频率，直接数字显示出来，达到了一些基本要求。移相网络输入信号频率范围达到20Hz～20k，连续移相范围达到了-45～45，输出的正弦信号峰～峰值可以分别在1～5v范围内变化，实现了题目要求。

关键词：移相    单片机   

一 方案比较与论证

方案一：将被测量输入信号通过模拟鉴相器鉴相，将模拟鉴相器的输出电压进行A/D转换，由单片机处理后显示数据。

方案二：将被测量信号输入波形经比较器整形后，利用门电路鉴相，在通过RC电路积分后进行A/D转换。根据相位差与电平成正比的关系，由单片机经过查表或简单的计算处理后得到相位差值。

方案三：鉴相部分与方案二相同。将整形出来的两路数字信号相与后，形成新的数字信号，用单片机测量出其波形宽度，经过简单的换算后，即可以得出要测量的相位差值。

经过比较，方案一中被测信号的输出电压幅值变化比较大，难以满足鉴相器的输入要求。方案二中，积分电路输出波动会很大，相位精度不能保证。方案三的相位精度受频率影响小，容易控制，稳定性高，可以实现较高的精度，因此采用此方案。其系统框图如下：

二 基本测量原理与方案实现

1．基本测量原理

所谓移相是指两种同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的移动，即称为是相位的移动。两路信号的相位不同，便存在相位差，简称相差。若我们将一个信号周期看作是360，则相差的范围就在0°～360°。：两个同频信号之间的移相，是电子行业继电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段，利用移相原理可以制作校验各种有关相位的仪器仪表、继电保护装置的信号源。因此，移相技术有着广泛的实用价值。我们知道，将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。以延时的长短来决定两信号间的相位值。这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。也就是说，只要能够测量出该延迟时间，我们就可以推算出其相位差值。

2．方案实现

       本系统由移相网络，相位测量仪，数字移相信号发生器组成。其中相位测量仪由单限

（过零）比较器，逻辑门电路，单片机系统组成。数字式移相信号发生器由单片机软件编程实现，频率可调并可以步进。移相网络由相位超前，滞后网络及放大电路组成。键盘电路与显示电路用来预置初始状态与显示结果。

（1）移相网络：                                                                                           

具体电路图如图1。在该电路中相角和电压幅值均可以改变。本电路中第一部分是由741和RC网络所构成的超前移相电路和滞后移相电路，第二部分为TL072运算放大器构成的低噪声高增益放大电路。调节RR，R4可以改变输出电压幅度，R3为调零相位电。

超前，滞后网络的相关理论：（如下图）

对于超前网络：

关于滞后网络：

  根据题目要求，不同情况下具体的参数由上述公式计算。

注意：具体调试电路的时候应根据以上公式，当输入频率改变的时候，应改变超前，滞后网络中R，C参数，此时才可以改变相位差。

（2）相位测量电路  其框图如下：

具体电路如图2

    将两同频信号移相信号经过过零比较器后整形为方波信号A，B。为了能够更加精确地测量相位差，我们将信号A，B相与，A与B取反后再相与。（如下图所示）输出波形经单片机记数测量出其波形宽度，即可以计算出周期及相位差。

假设单片机时钟周期为f1，周期    T1=1/f1,   输入信号频率为     f2，T2=1/f2

 一个周期对应360度，所以单位时间对应的相位值为T2/360.

如果单片机检测到的波形脉冲宽度为T，则对应的相位差值为：    T*T2/360

而T的确定，由单片机产生高频率的时钟信号，,对输入信号进行扫描，即与输入信号进行逻辑与运算。 输入信号为低电平时，没有时钟脉冲输出；为高电平时输出时钟信号，对其进行记数，假设为N，就可以计算出脉宽，为  N*T1 ，即   T=N*T1  。

从上面的的波形图可以看出，对 A∧B 信输出信号的脉宽并不是A，B信号的相位差值，而是与相位差相加起来为半个周期（T1/2）的值，因此，由此信号计算出A，B的相位差为      （T1/2—T）*T2/360

对  A∧B非  的输出信号检测的脉宽，则是A，B信号相位差的直接反应，此时相位差值为   T*T2/360 。

为什么要分开两种测量方法呢？这主要是考虑到减少误差的问题。当A，B信号相位差值很小的时候，测量 A∧B非 输出信号的误差大，不适宜直接测量，此时应测量 A∧B 后的信号。当A，B相位差很大时，此时测  A∧B非 的输出信号误差比较小，不适宜测量

A∧B 的信号。

（3）数字移相信号发生器

此部分电路完全由单片机编程来控制实现。其具体过程如下：将正弦波信号数字化成，并形一张数据表存入ROM芯片中，此后在单片机的控制下连续地循环输出该数据表，就可获得两路正弦波信号，当数据序列完全相同时，则转换所得到的两路正弦波信号无相位差，称为同相。当数据序列不同时，则转换所得到的两路正弦波信号就存在着相位差。相位差的值与数据表中数据的总个数及数据地址的偏移量有关。这种处理方式的实质是将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值。正弦信号数据表见程序。                        数据表

（4）显示电路    采用串行数据输入，本系统采用六位数码管显示。 F

显示部分应用软件技术，仅使用三根线，即数据线.时钟线及控制线，通过对单片机串口的编程，实现了数码显示与单片机之间的串行接口技术，外部硬件使用六片4094和六个LED实现六位数据显示，还可以继续扩展。

三线串行显示原理：三线为SDA（IOB1）—— 串行输入数据线，CLK（IOB0）——移位时钟线，STR（IOB6）——输入控制线。

STR为高电平时，SDA串行移位输入六组数据，一组包括八个元素来控制一个LED的八段发光管，从而实现了六组数据对六个LED的控制。数据传输完毕，STR为低电平，SDA停止传输，此时为显示模式，六个LED显示传输进来的六组数据。

（5）键盘功能    本系统采用4*4键盘并行输入，每个按键的功能由单片机编程定义。

（6）单片机系统   采用凌阳16位单片机SPCE061 061系统，为整个硬件系统的核心。它既协调整机工作，又是数据处理器。它硬件电路包括有：

核心芯片SPCE061A，音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分），电源电路，

接口电路，复位电路等。电路简单，功能强大，而且体积小，采用电池供电。

电路图如图3

（7）直流电源部分  将市电降压整流后再加以稳压，获得稳定的12V或5V直流电供使用，分别有两路输出。电路原理图如下：(  把7812换成7805输出即为DC5V  )

三 系统的软件部分

           编程流程图如下：

 程序见最后。

四 系统测试及结果

1．  调试方法和过程  采用先分别调试各个单元模块，调通后再进行整机调试的方法，提高调试效率。各个单元均调通后，进行整机调试。调试成功后再将程序写入单片机中进行调试。调试结果显示，整个系统能够工作。

2．  测试仪器  函数发生器（INSTEK FUNCTION GENERATOOR）

万用表（M9803 TRUE RMS MUL TIMETER）

毫伏表（YB2172 MILIVOL TIMETER）

示波器（OSCILLOSOPE GOS-620 ）20M

相位检测仪TDS3012B

3．  测试数据

（1）    移相网络的测量

移相测量结果：Vi=5v;f0=10k;c1=c2=103;

             Vi=5v;  f=1k;   c1=c2=104

Vi=5v;  f=100Hz;  c1=c2=1u

        幅度测量结果：vi=5v; c1=c2=103; f0=10k

                      Vi=5v;c1=c2=1u;  f0=1k

                       Vi=5v;c1=c2=1u; f0=100Hz

扩展：对于超前，滞后网络，当参数vi=5v时

A   当  c1=c2=105, 保证相位差在-90～50变化时候，频率可以在

20 Hz～500 Hz之间变化，而不仅仅为100Hz。

B    同理，当  c1=c2=104, 保证相位差在-75～50变化时候，频率可以在

500 Hz～5k Hz之间变化，而不仅仅为1k。

C    同理，当  c1=c2=153或103, 保证相位差在-55～50变化时候，频率可以

在5kHz～13k Hz之间变化，而不仅仅为10k。

 以上的参数都是经过上面的理论公式计算出来的，相位差.幅度是用相位检测仪

TDS3012B测量出来的数据。

（2）    相位差测量

各个模块单独调试时均能够正常工作，但级连起来时候测试误差较大，不能很好的进行测量。

五  测试误差及分析

1．理论分析误差        用时钟信号扫描输入信号时，当时钟信号为高电平时，刚好处于输入信号的上升沿或下降沿，，此时输出电平不知道是低电平还是高电平，就会丢失记数脉冲的个数。做最坏的情况分析，即上升沿和下降沿的脉冲都丢失，损失了二个记数值记数，此时即为最大的误差值。

根据方案实现中的定义，可以计算出对应的最大相位差误差

值。     即   ⊿=2*T1*T2/360。

此误差不能消除。