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数字相位测量系统设计

摘要

本论⽂针对在个⼯业和民⽤场合，为了对各种低频信号进⾏分析，常常引⼊相位测量,⽽典型的传统⽅法是通过显⽰器测量,这种⽅法误差⽐较⼤﹑读数不⽅便等问题，本论⽂

就此问题设计了⼀种数字相位测量仪对其进⾏相位时间间隔测量。以单⽚机AT89C51为核⼼，⽤零⽐较器LM393将正弦波信号转换为⽅波，通过由D触发器组成的双稳态触

发器实现两⽅波信号的相位差，将得到的信号经过模拟开关进⾏整幅，使之⾼电平为基准电压4.98V,低电平为0V，整幅后的波形经整流滤波形成直流电压，对不同的占空⽐

输⼊直流电压在0V～4.98V,⽤16位A/D7705进⾏采样,可使其精度远⼤于设计要求的0.1°。显⽰采⽤七段LED数码管，并⽤MAX7219作为显⽰器的驱动，对LED的亮度进⾏

调节。论⽂设计了相位⽐较电路、移相电路、显⽰电路、直流稳压电路。系统采⽤软硬件结合的⽅式，测量精度⾼、稳定性好、操作简单，适合使⽤于各种需要的低频相位

测量场合。

关键词:相位测量、相位时间间隔测量、单⽚机（AT89C51）

Abstract

V,with16A/D7705sampling,canmakeitsprecisionfaroutweighthedesignrequirementsof0.1°

occasion.

keywords:PhasedifferencemeasurementPhasetime-intervalmeasurementSCM

(AT89C51)

⽬录

1．绪论(5)

1.1国内外相位检测技术的发展现状(5)

1.2本课题研究的主要内容(6)

1.3本课题研究的⽬的和意义(7)

2．低频数字相位测量系统的总体⽅案设计(8)

2.1相位的基本概念(8)

2.2相位测量的技术指标(8)

2.3系统任务需求分析(9)

2.3.1课题要求(9)

2.3.2发挥部分(9)

2.4相位测量的原理(9)

2.5设计⽅案的⽐较论证(10)

2.6单⽚机AT89C51功能简介(12)

2.6.1主要性能功能参数(12)

2.6.2AT89C51特性功能概述(13)

3．相位测量硬件的设计(14)

3.1系统总体结构的设计(14)

3.2相位⽐较电路的设计(14)

3.3A/D转换电路的设计(15)

3.4键盘与显⽰电路的设计(16)

3.4.1主要性能(16)

3.4.2引脚功能(16)

3.4.3⼯作时序及转换原理(16)

3.4.4AD7705数字接⼝及电路(17)

3.4.5⽚内寄存器(18)

3.5直流电源电路的设计(20)

3.6芯⽚MAX7219的简介(20)

3.6.1MAX7219的性能(20)

3.6.2管脚配置(20)

3.6.3典型应⽤电路(22)

3.6.4MAX7219⼏种⼏组寄存器(23)

3.6.5读写时序说明(23)

3.7直流电源电路的设计(23)

4．移相⽹络电路设计与参数计算(25)

5.1移相⽹络电路(25)

5.2移相⽹络参数设计(25)

5.3数字移相信号发⽣器(27)

5．系统软件流程设计(30)

结论(31)

致谢(32)

参考⽂献(33)

1.绪论

1.1国内外相位测量技术的发展现状

现代相位测量技术的发展可分为三个阶段：第⼀阶段是在早期采⽤的如李沙育法、阻抗法、和差法、三电压法等，这些测量⽅法通常采⽤⽐对法和平衡法，虽然⽅法简单，

但测量精度较低；第⼆阶段是利⽤数字专⽤电路、微处理器等来构成测试系统，使测量精度得以⼤⼤提⾼；第三阶段是充分利⽤计算机及智能化测量技术，从⽽⼤⼤简化设

计程序，增强功能，使得响应的产品精度更⾼、功能更全。同时，各种新的算法、测量⼿段和新的设计⽅法及器件也随之出现。

⽬前国外提出了改进测相位测量精确度的⽅法，包括有：

（1）⽤专⽤数字处理芯⽚，利⽤正余弦表格及傅⾥叶变换⽅法来计算相位差，可⼤⼤提⾼测量精度。

（2）采⽤新器件及设计⽅法提⾼相位测量精度及展宽⼯作频率范围。

（3）采⽤新的算法来进⾏相位测量。

（4）采⽤⾼精度相位测量设备，通过相位输出信号，利⽤桥路与输⼊信号相位进⾏⽐较，从⽽测出相位差。

⽬前，⼈们已经开发出了很多基于不同微处理芯⽚的相位计，常见的有以下⼏种：（1）于FPGA/CPLD来实现。它的优点是可以进⾏功能仿真，⽽且FPGA和CPLD的⽚内

资源基丰富，设计的流程简单，缺点是开发成本⾼。