數(shù)字相位差測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)(精)

1、目錄1. 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。2. 設(shè)計(jì)方案概述。3. V/f 變換測(cè)量相位差角的工作原理。4. 電路的組成及參數(shù)選擇。4.1整形電路及信號(hào) C 的形成。4.2濾波電路的參任務(wù)計(jì)劃書(shū)。4.3V/f 變換電路的設(shè)計(jì)。4.4 89C52內(nèi)部資源的利用。5. 應(yīng)用實(shí)例。6. 結(jié)論。7. 總結(jié)。一、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)（一）任務(wù)設(shè)計(jì)仿真一數(shù)字相位計(jì)（二）主要技術(shù)指標(biāo)與要求：（1）輸入信號(hào)頻率為 0HZ 250HZ 可調(diào)（2）輸入信號(hào)的幅度為 0.5V3）采用數(shù)碼管顯示結(jié)果，相位精確到 0.1（4）采用外部 5V 直流電源供電（三）對(duì)課程設(shè)計(jì)的成果的要求（包括圖表） 設(shè)計(jì)電路，安裝調(diào)試或仿真，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并寫(xiě)出設(shè)計(jì)說(shuō)明

2、書(shū)。要求圖紙布 局合理，符合工程要求，所有的器件的選擇要有計(jì)算依據(jù)。二、設(shè)計(jì)方案概述根椐設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，我們參考了一些相關(guān)資料書(shū)，經(jīng)過(guò)小組的討論分析， 提出了一種用 v/f 變換測(cè)量交流電的相位差的新方法：首先產(chǎn)生出其幅度正比與相 位差大小的直流電，再有 v/f 變換器轉(zhuǎn)換成反映相位差大小的頻率信號(hào)，在單片機(jī) 的配合下，最終得到相位差。這種方法具有分辨率高，適應(yīng)與大范圍的各種輸入頻 率等優(yōu)點(diǎn)。正弦交流電電信號(hào)相位差的測(cè)量可以用多種方法實(shí)現(xiàn)。比較直接的數(shù)字式測(cè)量 方法是在已知信號(hào)周期的前提下用定時(shí)的方法測(cè)得相位差角對(duì)應(yīng)的時(shí)間，然后根據(jù) 已知的周期將其換算成相位差角度。但是，這種方法的測(cè)量精度依

3、賴(lài)于定時(shí)器的精度和分辨率。在信號(hào)頻率較高或頻 率雖不高但相位差較小時(shí)，都可以出現(xiàn)較大的誤差。另外，由于直接測(cè)量得到的是 時(shí)間，相位差角要由這一中間結(jié)果與信號(hào)的周期運(yùn)算后才能得到，所以周期的測(cè)量 不可缺少，其測(cè)量的精度也將影響相位差的精度。在此用一種新的思路進(jìn)行相位差的測(cè)量，用 v/f 變換器把相位差轉(zhuǎn)換成一個(gè)其 頻率與之成正比的脈沖列，通過(guò)計(jì)算在一定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)測(cè)量相位差角。這種 測(cè)量方法與信號(hào)的周期無(wú)關(guān)，可以得到較高的精度。題達(dá)到了 0.1 的測(cè)量精度，與 此同時(shí)工業(yè)運(yùn)行控制中現(xiàn)場(chǎng)操作，修改和設(shè)置等問(wèn)題也得到了很好的解決，以上這 些都在工業(yè)運(yùn)行中得到了廠方的認(rèn)可。存在的問(wèn)題主要是本儀器通

4、用性很不強(qiáng)，很 難在更大的范圍應(yīng)用和推廣，只能運(yùn)用與某些特定的企業(yè)。今后的工作主要 硬件 和軟件的改進(jìn)上，列入增加一些通用行很強(qiáng)的功能模塊。3. V/f 變換測(cè)量相位差角的工作原理首先將輸入的兩個(gè)同頻率但存在著相位差的信號(hào)進(jìn)行整形， 使之變成方波 。 如圖 1示 A 和 B 再對(duì) A,B 進(jìn)行異或處理 , 異或輸出信號(hào) C 的脈沖寬度則反映相位 差角.C 的脈寬 T1對(duì)應(yīng)的電角度是相位差角 ,C 的周期 T2 是信號(hào)周期 T 的 1/2.如果 信號(hào)角頻率為 w 則T1=/w. C 為幅值為 U 的方波 其平均值Ud=UT1/T2=U 由此可見(jiàn) ,C 的平均值（ 亦即直流分量 僅與相位差角和脈沖

5、幅度 有關(guān) 與信號(hào)周期無(wú)關(guān)通過(guò)一個(gè) RC 低通濾波器將 C 中的交流成分濾除 在濾波器的輸出端就可得到 單純的直流成分如果保持 C 的脈沖幅度 U 不變 那么 就能夠很好地反映出相位差角 的大小. 為了進(jìn)行數(shù)字化處理 將在濾波器輸出端得到的 作為V/f 變換器的電壓輸 入 。它的輸這樣在一定時(shí)間里通過(guò)對(duì)的脈出 將是一列脈沖 ，其頻率正比于沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，只需簡(jiǎn)單的標(biāo)度變換，就可以換算出相位差角 相位差角測(cè)量 電路原理圖如圖 2。在得到 V/f 變換輸出信號(hào)后 利用單片機(jī)進(jìn)行定時(shí)， 計(jì)數(shù)運(yùn) 算 ，顯示等處理非常方便 ，不僅可以大大地簡(jiǎn)化硬件電路，也有利于增加功能和 提高精度。 本電路采用 89C5

6、2 單片機(jī) ，充分發(fā)揮其定時(shí)，計(jì)數(shù)，中斷并行輸出等 資源的效用 ，組成一個(gè)功能強(qiáng)， 結(jié)構(gòu)緊湊， 價(jià)格低廉的相位測(cè)量專(zhuān)用裝置 由于單 片機(jī)的靈活性， 該電路的硬件稍加改造 ，就可以增加頻率測(cè)試功能。對(duì)于信號(hào) A 與 B 之間的超前 /滯后關(guān)系的判斷，可以遵循以下原則由圖 1 可以 看出，如果方波 A 上跳后,C 出現(xiàn)高電平, 則說(shuō)明 A 超前于 B. 否則如果 A 上跳后 C 出現(xiàn)低電平，則是 A 滯后于 B; 可以通過(guò)一個(gè)鎖存器來(lái)記錄 A 上跳后 C 的狀態(tài)。 信號(hào) A 經(jīng)微分電路后接鎖存器的控制端 （上跳沿鎖入 ，當(dāng)信號(hào) A 出現(xiàn)上跳時(shí)，微 分電路輸出一個(gè)正脈沖， C 的狀態(tài)被從 D 端傳向

7、 Q 端保存! 而后無(wú)論 A 保持高, 低 電平還是從高電平跳變到低電平 , 微分電路均不輸出正脈沖 ! 鎖存器處于保持狀 態(tài)。直到下一次 A 的上跳鎖存器的內(nèi)容才得以刷新。 輸出端 Q 的狀態(tài)隨時(shí)可以被讀取 ,Q=1說(shuō)明信號(hào) A 超前于信號(hào) B ；Q=0信號(hào) A 滯后于信號(hào) B 。4. 電路的組成及參數(shù)選擇。4.1 整形電路及信號(hào) C 的形成兩路被測(cè)輸入信號(hào)分別經(jīng)耦合電容與兩路整形電路連。整形電路由電壓比較器 構(gòu)成, 在此采用 LM311. 。該比較器可用 +5V單電源供電!可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu) ! 同時(shí)它的輸出也更容易與后面的邏輯電路連接 , 另外 LM311 的轉(zhuǎn)換速度很快，能夠保證對(duì)信號(hào)整

8、形的質(zhì)量 %值得注意的是，輸入的兩 路信號(hào)可能有公共端，但也可能不允許有公共端 ! 而兩路整形電路共地。所以每一 路的兩個(gè)端子都必須接耦合電容，以免在輸入信號(hào)在沒(méi)有公共端時(shí)經(jīng)整形電路形成 短路。另外，在整形電路的輸入端還應(yīng)設(shè)置限幅電路以保護(hù)電壓比較器。2個(gè)LM311 的輸出即為兩路方波信號(hào) A 和B. 由于采用+5V單電源供電, 這些 信號(hào)可以直接與邏輯異或門(mén)連接 , 得 C 信號(hào)。電路圖4.2濾波器電路的參數(shù)選擇濾波電路采用阻容濾波 , 其輸入端直接與異或門(mén)的輸出 （即 C 信號(hào) 連接. 濾波器 的輸出又接 V/f 變換器的輸入端 , 該端口輸入阻抗很大 , 可視為開(kāi)路 . 異或門(mén)采用 74

9、HC 系列, 當(dāng)其輸出高電平時(shí) , 輸出級(jí)的一個(gè)接正電源的 MOS 管導(dǎo)通, 電源經(jīng)濾波 電路電阻 R 向 C 充電, 如果忽略異或門(mén)的輸出阻抗 , 其時(shí)間常數(shù)為 t=RC.異或門(mén)輸出低電平時(shí) , 經(jīng) C 和異或門(mén)輸出級(jí) 的接地的 MOS 管放電,COM 管的等效電阻很小可以忽略 , 時(shí)間常數(shù) t=RC.時(shí)間常數(shù) 越大, 濾波效果越好 , 但時(shí)間常數(shù)過(guò)大會(huì)影響電 路的響應(yīng)速度 . 如果 R=10k 則,C=100uF,則 t=1s.即使對(duì)于 10Hz 的輸入信號(hào) 6t 是異或門(mén)輸出脈沖周期的 20倍, 電容兩端電壓的波動(dòng)已經(jīng)很小了 .4.3 V/f 變換電路的設(shè)計(jì)V/f 變換電路采用 V/f

10、變換芯片 LM311. 采用該芯片的單 +5V 電源供電的典型 應(yīng)用電路。采用這種做法，輸入電壓與輸出頻率成正比關(guān)系。輸入電壓從0 到10V ，輸入頻率從 0到 10kHz. 本電路的輸入電壓是濾波電路的輸出，其變化范圍 是 0 到 5kHz. 不難看出，相位差每變化 1 度，頻率變化 27.78Hz, 或者說(shuō)，頻率輸出 的每一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng) 0.036度的相位差。 0.036 度即為本測(cè)量電路的分頻率。3.489C52內(nèi)部資源的利用489C52內(nèi)部有兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器 C/T1和C/T0.本電路中 C/T1設(shè)定為計(jì)數(shù)模式 , 計(jì)數(shù)器輸入引腳接 V/f 變換器的頻率輸出 Ui. 工作在定時(shí)模式 , 定

11、時(shí)時(shí)間為 1s. 電路 工作時(shí), 先將 C/T1清零，然后同時(shí)啟動(dòng) C/T1和C/T0在 1s 定時(shí)終了時(shí), 停止 C/T1 計(jì)數(shù). 這樣,C/T1中累計(jì)的數(shù)值 X 即為 V/f 變換器輸出 Ui 的頻率值, 將X 乘以 180 再除以 5000 即可得到相位差角的度數(shù) .儲(chǔ)存超前/滯后狀態(tài)的鎖存器的輸出端可接在 89C52的P 口的某一位上 ,CPU 隨 時(shí)可以讀取其狀態(tài)測(cè)量結(jié)果通過(guò) LED 進(jìn)行顯示, 相位差角最大可能為 180度，而在角度較小時(shí)， 為保證精度又應(yīng)顯示小數(shù)位。本電路保留兩位小數(shù)， 因此，完整地顯示相位差需 要6位LED, 即整數(shù) 3位, 小數(shù) 2位, 表示超前/滯后的符號(hào)

12、1位. 每一個(gè) LED 與一個(gè) 鎖存/驅(qū)動(dòng)電路相連接 , 對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的 I/O, CPU通過(guò) MPVX 指令向其傳送數(shù)據(jù)。微分電路模塊5. 應(yīng)用實(shí)例以圖 2 所示電路為基礎(chǔ)，增加少量元器件即可組成一臺(tái)數(shù)字式頻率 /相位測(cè)試 儀。具體的做法是兩路同頻率被測(cè)信號(hào)經(jīng)大容量無(wú)極性電容耦合到兩個(gè) LM311 比 較器的輸入端 , 為能夠測(cè)量較低的頻率 6應(yīng)選擇較大容量的電容 , 選樣 1000uF; 圖2 中信號(hào) A 與 89C52的定時(shí)/計(jì)數(shù)輸入端 C/T1連接, 作為頻率試用。 6位 LED 輪流顯 示“頻率”和“相位 ”的測(cè)量結(jié)果。實(shí)際使用表明，該儀器在輸入信號(hào)頻率為幾 Hz 到 幾十 kHz

13、范圍均能很好地工作，用高級(jí)別儀表校正，相位測(cè)量誤差不超過(guò) 0.05 度，該精度完全滿(mǎn)足一般電氣測(cè)量和高等學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。不同相位的波整形后的輸出電波相同相位的波整形后的輸出電波異或后的輸出電波6. 結(jié)論1. 測(cè)量相位差角的方法適合于較大頻率范圍的輸入信號(hào)，只要整形電路能夠輸 出較好的方波，濾波電路能夠輸出較平穩(wěn)的直流電壓， V/f 變換的輸出是一串反映 相位差的脈沖列。對(duì)相位差可能出的整個(gè)范圍（ 0-180 度）均能測(cè)量，理論上在測(cè) 試死角。2. 測(cè)量辨率高，且測(cè)量分辨率與頻率無(wú)關(guān)。對(duì)任何頻率的信號(hào)分辨率均可 0.036度這為提高測(cè)量精度創(chuàng)造了條件。7. 總結(jié)通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)我們?cè)谠O(shè)計(jì)思想，設(shè)

14、計(jì)方法和設(shè)計(jì)技能等方面得到良好的訓(xùn)練， 并且更加熟悉了 proteus 的操作與使用，通過(guò)多次失敗，最終獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使大 家養(yǎng)成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中得到技能上的洗禮和經(jīng)驗(yàn)上的積 累。參考文獻(xiàn)：1】韓有望 , 采用 555 定時(shí)電路的測(cè)溫方法 J,電子與自動(dòng)化 .1995.432】賈振 ,DS1820及其高精度溫度測(cè)量的實(shí)現(xiàn) J,電子技術(shù)應(yīng)用 .【3】景小寧, 智能熱電測(cè)溫技術(shù)及其實(shí)現(xiàn) J,微型機(jī)與應(yīng)用 ,2001(1【4】劉少?gòu)?qiáng) , 新型精密鉑電阻測(cè)溫方法 J,傳感器技術(shù) 1999,18(2【5】李?lèi)?ài)蓮 , 解韶峰, 夏利蜂, 基于單片的實(shí)用測(cè)溫的實(shí)現(xiàn) J,微計(jì)算機(jī)信息 (工控, 儀表, 自動(dòng)化 2001(9;26【6】張慶玲 , 熱電偶傳感器測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用 J,西北輕工業(yè)學(xué)院 學(xué) 報(bào),2000(5;18【7】羅志坤 , 徐植堅(jiān) , 溫度檢測(cè)系統(tǒng) J,儀表技術(shù) 1999(1【8】曹輝, 胡俊, 黃均鼐數(shù)字式溫差測(cè)量電路的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn) J微電子學(xué) ,2003,31(3【9】灰承峰 , 李黎, 張潤(rùn)宇, 熱電