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相位测量仪的设计

摘要：本设计介绍简易低频数字式相位测量仪系统原理设计、主要计算方法、

系统硬件和软件设计、性能测试数据结果.系统是基于相位一电压转换与电压一

频率转换这样一个机理研制而成.实验结果的测试数据表明，该设计方案简单可

行、新颖实用，有推广应用价值。

关键字：相位测量仪；低频；相位差；信号

measurementsystemprincipleofdesign,themaincalculationmethod,system

onphaseavoltageconverterwithvoltagefrequencyconversionofsuchamechanism

isdeveloped.Theexperimentalresultsofthetestingdatashowthat,thedesignis

simpleandfeasible,thenovelutility,havepromotionapplicationvalue.

Keywords:phasemeasuringinstrument;lowfrequency;phasedifference;signal

一、设计的原理说明

本系统的低频相位测量仪是模拟信号和数字信号混合系统，是基于相位-

电压转换与电压一频率转换这样一个机理研制而成.关键性的问题是最高测量频

率相位差的精度问题，尤其在最高频率是20kHz的时候，达到较高的测量精度

比较难，目前各种侧相差的方法都具有局限性，主要是受CPU的工作速度、

A/D,D/A的转换速度和有限的位数影响.此方法电路简单，适合波形稳定性不理

想的低频电路测量精度要求，信号端和CPU安全隔离利用锁相环技术组成相位

测量仪软硬件调试都比较麻烦，过零计数式线性插值相位差计通过对时间的计数

测量来实现测相差，软件占用CPU时间过多，较高精度难以实现.与以上两种方

法不同的相位一电压转换式相位差计是一个传统的数字式相位差计，其工作原理

为:硬件电路将相位差转换为时间，再将时间转换为电压，通过电压测量实现相

位测量.此方法易于实现，但需较大改进:用与非门代替传统的鉴相器，用压频转

换器和光电隔离电路代替传统的滤波、平滑电路、运算放大器、A/D转换器.受

前边锁相的方法和线性插值方法的启发，综合考虑采用图1所示的用与非门和

压频转换的改进电路.

采用字符型LCD,LED同时显示.虽然这种方案不能像点阵式方案可显示

汉字，但LCD也可用英文显示较为清晰的提示和数字，配上LED显示完全满

足本设计的要求，其软件编程相对于点阵式LCD也简单得多，其价格也比较合

理.用LCD和LED相结合的多变量显示，键盘方面采用矩阵键盘，其程序和硬

件实现都容易.

二、原理框图及说明

CPLD电路描述：首先经过扫描P11控制74257（2选1）电路，选择

测频还是测相，如果为高电平则测频，利用单片机产生10次中断产生的秒信号，

即在1s中信号的脉冲数，其中计数器是由6个74193搭成的24位计数器，经

锁存器锁存，等待单片机读出；如果为低电平则测相。测相时先调用了测频的程

序但并不显示，而是存起来待用，然后给D触发器清零，否则得到的异或值不

同，如图3所示。a′,b′经过异或生成相位信号并发出中断请求，与8MHz的时基

信号相与所产生的脉冲由计数器计数，然后把所计的数送入锁存器锁存，等待单

片机读数。

数字相位测量仪的检测部分如图1所示.相位差测量系统主要由输人通

道、相差一电压转换的与非门、D触发器扩相识别、UIF转换及光电隔离等组成

数字相位测量仪采用过零触发平均检相、相位一电压转换与电压一频率转换这样

一个原理进行相位测试.被测相角的两个信号各自分别通过相同的电压跟随器，

经过限幅放大器形成方波送到与非门进行比相，与非门输出后的直流分量正比于

两信号过零的时间差，因此也正比于相位角.与非门只能测量01-180*相位，

180’-360’相位与00--180。相位同值，是周期性重复.采用D触发器识别技术，准

确判断大于等于1800还是小于180”若大于.等于1800,D触发器输出高电平;若小

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