1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 低频数字式相位测量仪设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 本系统是以 AT89S51 单片机为核心的一个相位测量仪，整个系统由移相网络和相位测量仪两部分组成。 数字式相位测量仪实现了对 20Hz 到 10KHz的峰 -峰值为 1V 到 5V 的正弦信号、方波信号等信号进行精确的测频、测相的功能；移相网络则采用 RC 移相网络来实现，在 100Hz、 1KHz、 10KHz 三种情况下， 可以 实现最大相移 45的调整。 相位测量仪 由 信号处理模块、单片机模块和数码管显示
2、模块 组成，对 20Hz到 10KHz 信号进行频率和相位 差 的测量，而被测信号的相位差、频率则是通过LED 数码管显示。 整个系统设计硬件结构简单，软件采用 C51 语言实现，程序简单可读性强，效率高。与传统的电路系统相比，具有处理速度快、稳定性高、性价比高的特点。 关键 词 ：单片机；频率；相位测量；相位差 - 2 - Abstract The system is a phase meter based on microcontroller AT89S51, and is composed of two parts: Phase Shift Module and Phase Measur
3、ement Module. The digital phase meter achieves to accurately measure frequency and phase for sinusoidal signal and square wave signal with the frequency from 20Hz to 10KHz, the peak from -1V to 5V. Phase Shift Module is achieved by using RC phase shift networks, and it can achieve maximum phase shif
4、t of 45 at the frequency of 100Hz, 1KHz and 10KHz. Phase Measurement Module is composed of signal processing circuit, single-chip microcomputer circuit and digital display circuit, and to measure frequency and phase difference of the signal with the frequency from 20Hz to 10KHz, and the frequency an
5、d phase difference are shown on LED digital display. The system has simple hardware structure and uses C51 language for software, the program is simple, readable and efficient. Compared with the conventional circuit system, the system has the features of high processing speed, high stability and cos
6、t-effective. Key Words: Microcontroller; Frequency; Phase Measure; Phase Difference - 3 - 目 录 1 概述 . 1 1.1引言 . 1 1.2 课题的主要内容和基本要求 . 2 2 总体设计 . 3 2.1移相网络 . 3 2.2数字式相位测量仪 . 5 3 硬件设计 . 8 3.1移相网络 . 8 3.2 数字式 相位测量仪 . 12 3.2.1 信号处理模块 . 13 3.2.2 单片机模块 . 17 3.2.3 LED数码管显示模块 . 18 4 软件设计 . 22 4.1 主程序 . 22 4.2
7、 测量时间差、周期子程序 . 23 4.3 HD7279读、写子程序子程序 . 24 5 制作和调试 . 27 5.1 硬件部分的制作和调试 . 27 5.2 软件部分的制作和调试 . 27 6 结论 . 28 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 29 附录 1 系统实物图 . 30 附录 2 实验原理图 . 31 附录 3 程序清单 . 32 - 1 - 1 概述 1.1 引言 随着科学技术的 突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地
8、位。 低频数字式相位测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具，比如在电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号相同，这就要求精确的测量两工频信号之间的相位差。还有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中具有重要意义 1。 相位差是工业测控领域经常需要测量的参数，如电力系统中功率因数的测量、铁路系统中相敏 轨道电路相位差的测量以及科氏质量流量计中的相位差测量等等。而相位差的测量又不同于传统的电压、电流信号或物位、温度量的测量。首先，相位差信号依附于电压、电流信号中，如何剔除电压、电流、频率变化对相位差测量的影响是相位差测量中很重要的一个方面；其次相位差是一个比较量，测量两路信号之
9、间的相位差不仅需要保证两路信号的频率相同，而且要排除由于两路信号的幅值等其它因素不一致而对测量造成的影响 2-3。因此，如何准确可靠地测量相位差是值得研究的课题。 目前新制造的相位测量仪一般都是采用数字化方法设计的。常用的设计方法有 采用单片机、可编程逻辑器件 CPLD 或 FPGA 和 DSP。现在随着集成电路的发展，很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的使用比较简单，功能越来越多。 本设计就是以单片机为核心的一个相位测量仪，整个系统分为移相网络和数字式相位测量仪两部分。系统的原理是由信号发生器产生同频率但不同相位的信号，再将这两个同频不同相位的正弦波通过整形，变成
10、方波，然后测量其中一个方波的周期，从而得到两输入信号的频率；再测量两方波过零时间差，通过计算获得信号的相位差。再通过单片机编程，将相位差在 LED 数码管中显示 出来。 - 2 - 1.2 课题的主要内容和基本要求 首先，制作一个模拟移相网络，满足下列要求： a输入信号频率： 100Hz、 1kHz、 10kHz。 b连续相移范围： 45 45。 c输出的正弦信号峰 -峰值可分别在 1V 5V 范围内变化。 在此基础上，利用单片机设计并制作一个低频数字式相位测量仪，性能要求如下 : a频率范围： 20Hz 10kHz。 b相位测量绝对误差 2。 c具有频率测量及数字显示功能。 d相位差数字显示
11、：相位读数为 0 -359.9，分辨率为 0.1。 - 3 - 2 总体设计 本设计 以 AT89S51 单片机为核心，构成低频相位测量仪。它具有移相、频率和相位测量两大功能。移相电路由移相网络和信号放大电路组成，对固定频率信号 100Hz、 1KHz、 10KHz 可实现 -45 +45 的相移；频率、相位测量电路由阻抗变换电路、整形电路、计数器电路、显示电路组成，对 20Hz 10KHz 信号进行频率和相位测量。单片机系统是整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器，并完成对最终显示的控制。总体设计框图如图 2-1所示。 显示电路单 片 机数 据运 算控 制电 路时 间
12、差 和周 期测 量电 路整 形电 路整 形电 路移 相网 络正 弦 波正 弦 波 A正 弦 波 BA s 方 波B s 方 波图 2-1 总体设计框图 2.1 移相网络 移相网络有数字移相网络和模拟移相网络两种。 方案一：数字移相 单片机或 CPLD 控制高速 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，对 ADC 速度、 RAM 速度要求很高。数字移相有三种方法： 方法一：用传统的直接频率合成器
13、采用传统的直接频率合成器，再通过移相网络实现移相输出。这种方法 能快速实现频率变换，具有低相位噪声的优点，是所有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，并且难以实现相位差 1精度 4。 - 4 - 方法二：地址生成器与外 ROM 构成的信号发生器 将正弦波的采样点存在外 ROM 中，当单片机向地址发生器发出控制信号后，地址发生器便以输入数值为初始值进行地址累加。外 ROM 便根据输入的地址输出存储的正弦波，再经过 D/A 转换和整流电路后，输出模拟正弦波 A。同理，另一通道输出同频率的模拟正弦波 B。改变单片机的控制信号的
14、时间就 改变了输出信号的频率，改变两个地址生成器的初始地址就改变了输出新号的相位差 5。 方法三：采用直接数字频率合成器（ DDFS） 采用直接数字频率合成器 (DDFS)，它主要由相位累加器、波形表、 D/A输出、低通滤波器四部分组成。采用这种纯数字化的方法，产生信号的频率准确、频率分辨率高，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控 6。 方案二：模拟移相。 由于只要实现 - 45 + 45的相移要求，考虑到实现难易程度，决定采用R、 C移相网络来实现相位的偏移。电路图如图 2-2所示。 （ a） 超前网络 （ b） 滞后网络 9 0 04 50- 4 5- 9 0 o oo oo o/0
15、W /0W （ c） (d) 图 2-2 移相网络电路原理图 对于相位超前 RC网络： 111 11A RUURjC （ 2-1） C1C2R1R2+_+_+_+_U1 UA U1 UB- 5 - 对于相位滞后 RC网络： 2 12211BjCUUR jC（ 2-2） 它们对应得相频特性分别为： 1111( ) ta nA RC （ 2-3） 1 22( ) tanB RC （ 2-4） 理论上要实现相移范围为 - 45 + 45，则要求 45A o ， 45B o ，也就是说 111 RC ， 22RC 都为 1。 2.2 数字式相位测量仪 从功能角度来看，相位测量仪要完成信号频率的测量和相
16、位差的测量。相位测量仪有两路输入信号，也是被测信号，它们是同频率的正弦信号，频率范围为20Hz 20KHz，令正弦电信号为： 0( ) sin ( )mA t A t （ 2-5） 其中， mA 称为振幅（最大值），且 2mAA ， A称为有效值； 0()tt 称为相位， 0 称为初相位， 称为角频率。 mA 、 0 、 称为正弦量的三要素。 只有两个同频率的（正弦）信号，才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正弦信号为： 1 1 0 1( ) s in ( )mA t A t （ 2-6） 2 2 0 2( ) s in ( )mA t A t （ 2-7） 则相位差 0 1 0 2 0 1
17、0 2( ) ( )tt ，由此可以看出，相位差在数值上等于初相位之差， 是一个角度。 测量相位差 有两种方案： 方案一：相位 -电压转换法 波形图如图 2-3，将两个频率相同，相位差为 的被测正弦信号，经限幅放- 6 - 大和脉冲整形后变成两个方波，在经微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉冲，利用非饱和型高速双稳态电路将这两组负脉冲所触发，输出周期为 T、宽度为 Tx的方波，若方波幅度为 Ug，则此方波的平均值为： XogTUUT （ 2-8） 因此，用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，输出电压即直流电压 Uo。上式中 T为被测信号的周期， Tx 由两信号的相位差 决定。
18、因为正弦信号 1()At与正弦信号 2()At的相位差为 01 02 ，也就是时间上差 Tx，所以 Tx 与 的关系为： 2 2 3 6 0X X X XXT T Tf （ 2-9） 即： U1 360XXTT （ 2-10） 将公式（ 2-8）代入上式得 360XogUU （ 2-11） 方案二：相位 -时间转换法 波形图如图 2-4，首先将频率相同，相位不同的正弦信号通过过零比较器转变成方波信号，然后进行与运算，产生脉宽为 Tx、周期为 T 的另一方波，若计算时钟脉冲周期为 Tc，则在 Tx 时间内的计数数值为： 360XTx TN Tc Tc （ 2-12） 所以 360xx TT 即为相位差的读数。 纵观上述两种方案，方案一是将相位差信号转变为电压信号进行测量，对单一频率信号的相位检测时，相位差信号与电压信号之间存在唯一对应关系，电压的高低反应了相位的大小，但当输入的信号频率在一定范围可变时，此方法不适用。原因有二：一是相位变化会引起输出电压信号 Uo 的变化，二是频率变化也会影响输出信号 Uo 的变化。 所以对于 20Hz-10KHz 范围内的信号检测系统的输出 Uo 与被测信号的相位之间不存在唯一对应关系。方案二是将相位差信号转变
