测量与设备 基于单片机的工频相位差测量仪 操长茂 肖运虹 （江汉大学物理与信息工程学院，武汉 !"##$%） 摘 要 本文介绍了一种基于单片机 &’($) 的相位差测量仪的工作原理、硬件电路组成和软件实现。 关键词 单片机 工频 相位 ，因 此，一 个 计 数 脉 冲 对 应 的相位差。由 工作在计 相连，使计数器仅在 !" 的相位差间隔内 和!’ 经与 !’ -./# 计数，这样计数器计得的数即为 !" 于时 钟 频 率 为 "%## !" #* )(。单片机 &’ )$) 的定时 & 计数器的 *# 为高电平时计 数方式，由 -./# 数，计数的值通过 012 数码管显示。这种测量方法可 以从波形图图 , 上得到理解和说明。图中 2 触发器 用于判断 !" 超前于 !’ 值。 ，相位取正值；当 + 为 # 时，!" 与 !’ 的相位关系，当 + 为 ) 时，!" 控制 *# 且仅当 -./# 滞后于 !’ ，相位取负 一、引言 在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实 验中，常常需要测量两列同频信号之间相位差。例 如，电力系统中电网并网合闸时，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 号的相位差。相位差测量的方法很多，典型的传统方 法是通过示波器观测，这种方法误差较大，读数不方 便。为此，我们设计了一种基于单片机的相位差测量 仪，该仪以单片机和锁相环倍频电路为核心，实现了 工频信号相位差的自动测量及数显，测量的分辩力 为 #* )+。 二、工作原理及组成 相位差测量仪的原理框图如图 ) 所示，基准信 号（相位基准）!" 经放大整形后加到锁相环的输入 端，在锁相环的反馈环路中设置一个 # $ "%## 的分 相同， 频器，使锁相环的输出为 "%## !" 这个输出被用作计数器的时钟并被计数。 ，但相位与 !" 图 , 三、前置电路设计与分析 )* 放大整形电路 在测量相位差时，决不允许两路信号在放大整 形电路中发生相对相移。为了使两路信号在测量电 路中引起的附加相移是相同的，图 ) 中 ,) 和 ,, 安 排了相同的电路。如图 " 所示，第一级运放将输入信 号放大 )# 倍，第二级运放用作比较器，经 "* "3! 限流 电阻和 2 - 组成的限幅电路以及二极管和 4!)! 整形 后，使其转换成 //0 电平的信号。 图 ) 被测量信号 !% 经放大整形并经 , 分频后得到的 !% & , 与 !" & , 异或输出作用计数器闸门控制信号并与 · ,# · 万方数据 计量技术 ,##" .5 ’ 

测量与设备 图 ( 五、误差分析 将电网市电经变压器降压后作为实验信号源， 再经移相电路并适当整形后，形成两个被测量信号 。实验时，每隔 4% 分钟测量一次，测量结果如 和 "# "$ 表 4： 表 4 次数 4 " ! / ) 相位差 !% !0 ) !% 4 ) ! % 0 4 !5#7& !5#$& !5#$& !5#)& !5#$& !5#$& 由此求得实验的相对误差： ’( 0 !! ! ; 4%%) "%# )") 六、结束语 按上述方案设计的相位差测量仪，实践证明，系 统稳定性好，成本低廉，使用方便，精度高，有较强的 实用性。 参考文献 ［4］谢自美 * 电子线路设计、实验及测试 * 湖北：华中理工大学出版 社，"%%%#/ ［"］胡宴如 * 高频电子线路 * 北京：高等教育出版社，"%%4#( ［!］朱定华 * 单片机原理及接口技术 * 北京：电子工业出版社，"%%4#/ · "4 · 图 ! "# 锁相倍频电路 设工频信号的最高频率为 $%&’，!(%% 倍频后信 号的频率为 %# ")"*&’，故可选择 + ), 电压工作时最 高工作频率为 %# (*&’ 的锁相环 -./%/(，! 0 !(%% 的分频器由一片可编程器件 1234(,5 来完成，这样 电路结构更加简化，电路如图 / 所示。为了使 "# 在 /%&’ 6 $%&’ 时锁相环工作稳定，线性度好，入锁时 间快，电阻电容参数选择见图 / 所示的值。 图 / 四、单片机最小系统及软件设计 单片机采用 57-)4，用串行口，) 片 $/"84(/，) 个 共阳 39. 数码管构成该测量仪的显示系统，低 / 位 显示相位差，最高位为符号显示位，如图 ) 所示，考 虑到外测计数脉冲的最高频率为 %# ")"*&’ 以及单 片机能够检测的最高频 率 为 晶 振 的 4 : "/，故 选 取 4"*&’ 的晶体振荡器作为单片机的时钟。软件采用 *-8—)4 汇编语言编写，程序框图如图 ( 所示。 图 ) 计量技术 "%%! <= 7 万方数据 

基于单片机的工频相位差测量仪 作者： 操长茂， 肖运虹 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 江汉大学物理与信息工程学院,武汉430056 计量技术 MEASUREMENT TECHNIQUE 2003，(9) 0次 引用次数： 参考文献(3条) 1.谢自美 电子线路设计、实验及测试 2000 2.胡宴如 高频电子线路 2001 3.朱定华 单片机原理及接口技术 2001 相似文献(10条) 1.期刊论文 朱金刚.ZHU Jin-gang 基于单片机的工频电压测量 -仪表技术2008(2) 介绍一种利用单片机自身资源测量工频电压的方法.整个电路是采用通用、廉价的器件来实现,具有较高的性价比和应用价值. 2.期刊论文 操长茂 基于单片机的工频相角源 -自动化与仪器仪表2003(3) 介绍了用间接频率合成器(IS)数字波形发生器以及程控衰减器构成的工频相角源,它以单片机为控制核心,实现了频率、相角、幅值的数显及步进调 整. 3.期刊论文 厉伟.刘博.李海波.LI Wei.LIU Bo.LI Hai-bo 便携式工频绝缘试验系统研究开发 -沈阳工业大学学报 2007,29(1) 提出了一种便携式工频绝缘试验系统.该系统可以对10 kV及其以下电压等级的高压电气设备在运行现场进行工频绝缘试验,试验系统在具有工频电源 的现场可以采用该工频电源供电;在更多的不具有工频电源的现场进行试验时,采用系统自带或运输车辆本身的蓄电池供电进行试验,该试验系统具有以上 两种电源的转换控制功能.采用蓄电池供电时,系统以PIC单片机为核心,设计了相关的各个功能电路,使系统具有工频试验电压的产生与整定功能,满足试 验标准的测量单元,定时电路准确,保护环节完善可靠.采用该系统对运行中的高压电气设备的工频绝缘试验变得非常方便和容易. 4.期刊论文 廖国华.LIAO Guo-hua 用80C196KC实现IGBT逆变脉冲TIG焊机的控制 -矿业研究与开发2000,20(2) 介绍了单片机控制的IGBT逆变式脉冲TIG焊机的系统结构、原理和时序控制规范,给出了单片机数字系统的硬件和软件框图,并就所采用的两种新颖实 用的工频高压脉冲引弧和接触提升引弧作了研究. 5.期刊论文 赵跃.张伊辉.郑岗.ZHAO Yue.ZHANG Yi-hui.ZHENG Gang 回转式空气预热器变频-工频同步切换控制器 -电力自动化设备2006,26(8) 大容量回转式空气预热器在变频-工频切换瞬间,常因电源相位不一致引发过电流冲击而导致切换失败.为有效解决这一问题,开发了基于锁相环技术 的变频-工频同步切换控制装置.将变频器作为压控振荡器(VCO);采用高性能的C8051F单片机作为主控制器,通过其内部集成的高速AD、DA转换器采集变频 、工频电压信号,利用软件锁相技术,经数字运算进行鉴相和锁相控制,实现变频与工频之间的相位锁定.实际运行证明,该同步切换装置锁相快速、准确 ,稳态相位误差小于±7°,切换电流小于1.5倍电机额定值,实现了空气预热器变频-工频的无扰切换. 6.会议论文 贾亚民.李锦泉 单片机在工频电网与光伏电网联运供电系统中的应用 1995 该文介绍一种和ＭＣＳ－５１单片机控制工频电网与光伏电网联运不间断供电系统，该系统利用单片机体积小，价格低，实时控制功能强的特点 ，实现了多源供电网络中电力存贮、输运和调配的自动化，对合理使用电力、提高用电效率和高质量供电具有一定实用价值。 7.期刊论文 王富东 智能化工频多用表的设计 -电工技术2004(1) 介绍一种基于80C196单片机的智能化工频多用表.它在对各种电网基本参数进行测量的基础上,增加了谐波分析和数据通讯功能,还能根据不同的过载 与故障实现线路保护.该多用表可单独使用,也可以和断路器一起组成电路保护系统. 8.期刊论文 贾俊.彭迎 AD574在工频弱磁测量仪中的应用 -世界电子元器件2003(12) 在简要介绍自行研制的工频弱磁测量仪的基础上,论述了12位逐次逼近式模数转换芯片AD574的原理以及在测量仪中的具体应用,给出了AD574与 8032单片机的接口电路以及中断服务程序. 9.期刊论文 王德江.任国臣.陈晓英 工频暂态电流测量装置的研制 -辽宁工学院学报(自然科学版)2002,22(2) 利用高精度电流互感器、电流快速变送器和单片机测量系统相结合,构成了工频暂态电流测量装置的方案,并给出了硬件电路框图和软件程序功能,结 果表明,本测量装置的测量结果与理论值比较,误差在1%以内. 10.期刊论文 张海.吴燕萍.ZHANG Hai.WU Yan-ping 一种实用数字式工频有效值测量系统设计 -自动化技术与应用 2009,28(8) 本文从实用角度考虑,利用单片机软件功能取代传统工频有效值测量中常用的整流、滤波及过零检测电路.在算法上实现了交叉运算、对称函数表求 解等实用有效的数字处理方法.实验测量结果表明:该设计提高了系统的测量精度和可靠性,运算速度大大提高. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jljs200309008.aspx 下载时间：2010年1月12日