基于单片机的相位测量仪电路设计.doc

第1章 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，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°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．矢量法用于测量小角度范围时，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，测量精度0.1度第2章 20Hz-20kHz，幅度为0V～500V2.1 自动量程控制原理论证 本设计中，待测信号是0V～500V2.2 相位测量原理论证 由数学关系可知，时间差和相位差有如下关系： （2.1） 由此可得： （2.2） 其中，是相位差对应的时间差，是信号周期。 式2.2表明，相位差与时间差有着一一对应的关系，只要通过测量时间差及信号周期，就可以求得相位差，这就是相位差的基本测量原理。 显然，相位差的测量本质上是时间的测量。而时间的测量方法有很多种，本设计结合51单片机的特点，采用过零点检测法。其原理是将基准信号通过零的时刻与被测信号通过零的时刻进行比较，由二者之间的时间间隔推算出两信号之间的相位差。这种方法的特点是电路简单，对启动电路要求不高，同时该方法还具有测量分辨率高、线性好、易于数学化等优点。 将该相位差信号送入单片机的外部中断接口，对该信号的脉冲宽度进行计数，从而得到对应于相位差的时间差和周期，再根据上述求解相位差的公式便可得到所求，并由液晶显示最终测得的相位差。 第3章 图3.1 系统总体框图 3.1 主控电路设计 这部分是由单片机、晶振电路、复位电路组成。本设计中充分利用了单片机较强的运算能力和控制能力这一特点，使用单片机外部中断INT0、INT1接收外部送来的相位差信号，并在单片机内部完成相应的处理及相关运算。图3.2为AT89C51主控电路图。 图3.2 主控电路图 3.1.1 AT89C51单片机 本设计中采用的核心控制器是AT89C51，它是美国ATMEL公司生产的一款低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K字节FLASH可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128 字节的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容?与MCS-51产品指令系统完全兼容 ?4K字节可编程Flash存储器