相位差的数字测量.docx

摘要本设计的研究目的是设计出一台低频数字式相位测量仪。本设计以STC12C5A60S2单片机为设计核心，对单片机进行编写程序，实现数据采集、相位计算的功能。本设计的基础模拟电路硬件电路包括信号放大电路，整形电路，异或门电路，单片机最小系统以及显示电路。实现了对信号的放大，限幅、整形以及对相位的测量、计算与显示的操作。关键词：相位测量，单片机，信号处理第一章引言1.1 研究目的及意义在电子测量技术中，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 相位测量仪的发展情况在相位测量仪发展的历程中，可以有三个主要的阶段来介绍。第一阶段：20世纪60年代之前，主要是运用对比法和平衡法来测量相位。具体的方法有阻抗法、三电压法和差法等等。这属于人们比较早期探索的方法，所以这种方法尽管比较简单，但测量精度是此方法的致命伤。第二阶段：20世纪60年代到70年代这段时间，测量相位的方法是通过由数字电路和微处理器形成的系统。现在的这个阶段探索的方法已经比较成熟，相较与第一阶段，测量精度已经提高了许多。第三阶段：20世纪80年代之后，此阶段就主要是运用计算机和智能化技术来测量相位。这一时期就是是发展最快的时期。我们探索到了大量的优良的算法、测量手段、设计方法。主要是利用集成电路、载入程序，智能化更趋明显。以上是相位测量方法的几个发展阶段。下面我要介绍国际，国内对测量相位技术的掌握程度和发展水平。国际上，对相位测量技术研究有突出作用的，主要是美国和俄罗斯两个国家。在他们国家，不管是低频还是甚高频，都达到了很高的标准。他们通用的相位计的最高性能指标如下：(1)一般相位测量仪可以测量范围为360度的相位，少数相位仪也可测量出720度的相位。(2)从数量级为uHz的低频到100GHz的甚高频都可以被相位仪测量。(3)相位准确度也很高，但不同的频率准确度不太一样。低频——正负0.002度，高频——正负0.20度，微波——正负0.5度。而在国内，在20世纪60和70年代这段时期，出现了很多的研究所，并且初见成效。我国相位测量的基础就在这样的背景下得到了非常稳固的奠定。从80年代开始，人们才对微处理器技术有了一些研究，并广泛的应用到了工业中。在这种背景下，生产出来了多种型号的电子相位测量仪。使相位测量仪得到了技术的改革。如今，我们制作的电子测量仪都是充分利用计算机技术和只能测量的技术。计算机永远有我们探索不完的知识，也总是会给我们很多技术创新上面的惊喜。如果想让我们现在的相位测量仪的精度和性能再次得到大幅度的提高，我们只能付出更大的努力来探索更多新的方法和技术。1.3主要研究内容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STC12C5A60S2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度范围内，测量精度可达0.1度。两路信号（同频、不同相，一路为待测信号，另一路为参考信号）通过过零比较器电路整形成矩形波信号，再通过单片机进行时间差的测量以及信号周期的测量，得到相位差的数值。通过单片机对数据的处理，最后方可得到所要测量的相位差，并在液晶上显示出测量结果。第二章总体方案设计2.1 几种相位测量方案比较方案一: 示波器法测量相位差示波器是我们实验室中很常见设备，它主要是通过双踪显示功能来测量相位。这种方法操作很简单，数据很直观，而且测量的频率范围也很广。也可以测量电路内部的固有相移。但是由于相位测量仪应用于工业发展的各个方面，使用非常广泛。但是示波器不仅体积大，而且速度和准确性都不好。当今，高科技极大的改变了我们的生活，像这样传统的模拟指针式仪表已跟不上时代的脚步。因此这一方法已经被淘汰。方案二：补偿法测量相位差首先获取两路相位不同的正弦信号，然后把这两路信号输入到已校准的移相器中。利用移相器来调节其中一路信号，然后通过指示器观察这两路信号，指示出两路信号相位相等（0度），或指示出反相（180度）为止。最后根据移相的分度曲线来确定相位差。上面介绍的测量方法就是补偿法，误差大概在0.1左右。根据补偿法测量相位的硬件框图来看，此种方法还需要一个指示器，一般是选择示波器，把两路信号输入到示波器的端口，这两个端口选择垂直输入