单片机数字相位差计的设计.doc

PAGE 16 XXXXXX项目式教学 设计报告 课程名称： 电路综合设计 项目名称：单片机数字相位差计的设计 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 开课时间： 报告成绩： 评阅意见： 评阅意见： 评阅教师 日期 数字相位差计的设计与实现 摘 要 随着数字电子技术的发展，由数字逻辑电路组成的控制系统逐渐成为现代检测技术中的主流，数字测量系统也在工业中越来越受到人们的重视。 在实际工作中，常常需要测量两列频率相同的信号之间的相位差，来解决实践中出现的种种问题。例如，电力系统中电网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这时需要精确测量两列工频信号之间的相位差。如果两列信号之间的相位差达不到相同，会出现很大的电网冲激电流，对供电系统产生巨大的破坏力，所以必须精确地测量出两列信号之间的相位差。本设计由STC89C51构成的最小系统，通过外围扩展，精确测量工频电压的相位差，采用LCD1602显示相位差，功耗小，精确度高，稳定性能好，读数方便且不需要经常调试。 关键词：单片机、低频、 相位差、 LCD 一、绪论 1.1课题的意义 众所周知，相位是交变信号的三要素之一，而相位差则是研究两个相同频率交流信号之间关系的重要参数。相位差的测量是电气测量的一项基本内容，其含义为测量两个同频率周期信号的相位差值。 例如某一电路系统输入信号与输出信号之间的相位差，三相交流电两个相电压或两个线电压之间的相位差，相电压与相电流之间的相位差等。 又如，在自动控制理论中，系统的相频特性为在不同频率正弦信号作用下，系统的输出信号与输入信号之间的相位和频率的函数关系。 此外，同频率正弦信号的相位差测量在工业自动化、智能控制及通讯电子等许多领域都有着广泛的应用。如电工领域中的电机功角测试，等等。 因此相位差的测量是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。 1.2课题要求 本设计研究了一种可测20Hz-20kHz内波形（正弦波、三角波、矩形波）数字相位差测量仪的设计方法。主要内容是以STC89C51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。两路信号（同频、不同相）通过过零比较器电路整形成矩形波信号，再通过鉴相器，D触发器二分频得到相位差信号。这样就构成了相位测量系统的测量电路。再将该相位差信号送入单片机的外部中断端口，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。 二、相位测量方案论证与选择 2.1设计方案论证 限幅放大器1限幅放大器2脉冲 限幅 放大器1 限幅 放大器2 脉冲 整形1 脉冲 整形2 鉴 相 器 滤 波 A\D转换 u1(t) u2(t) 图2-1相位电压转换测量法的原理图 相位--电压转换式数字相位计的原理框图如图2-1 设、为频率相同、相位差为的两个被测正弦信号，经限幅放大和脉冲整形后变成两个方波，再经过鉴相电路（如异或鉴相），输出周期为T，宽度为的方波，若方波幅度为，则此方波的平均值即直流分量为=。因此，用低通滤波器对方波进行平滑滤波后，输出电压即为直流电压。上式中T为被测信号的周期，由两信号的相位差决定，即=。所以与的关系为：=*T，代入上式，得=，若A/D转换的量化单位取为/，则A/D转换结果即为的度数。 方案2：通过倍频电路实现相位差的测量 先通过比较电路将两路同频信号分别转换为相应的脉冲信号，然后将其中的一路信号通过反相器取反后与另一路信号相与，得到一等脉宽的脉冲波形，此脉冲波形的脉宽t，即表示两信号的相位差。将原信号对应的任意一路脉冲信号（周期为T）倍频后，作为单片机计数器的计数脉冲，并对相位差脉冲记数脉冲周期为T/A，可得到两信号相位差计算公式如下： Q=360Xt/T=360*W*（T/A）/T=360*W/A=W*N 其中N=360/A，N为常数，是相位测量系统的最小精确度。 经过单片机系统编程即可实现此简单运算式，并将运算结果Q送LED显示。原理图如图2-2： 整形 整形 整形 相 位 差 倍频 单片机 显示 图2-2倍频电路实现相位差原理图 方案3：相位一时间转换法 此方案的基本原理是：先分别将被测信号和经过相移网络后的信号通过过零比较器整形成TTL电平方波，然后通过时间间隔内的计数测量，得到相位差