数字式相位测量系统及相位测量的基本原理.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.94M 资料格式：doc 举报版权申诉

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1. 绪论

1.1 国内外相位测量技术的发展现状

1.2 本课题研究的主要内容

1.3本课题研究的目的和意义

2. 相位测量的基本原理

2.1相位的基本概念

相位是信号的三种特性之一（另外两种分别为频率、幅度），它说明谐波震荡在某一瞬时的状态。在数学上定义为

式（2.7）中的负号表示滞后

2.2相位测量的技术指标

相位测量的技术指标组成部分

2.3相位测量的原理

3.相位测量系统的总体方案设计

3．1系统任务需求分析

3.2设计方案的比较论证

3．3系统总体结构的设计

4相位测量系统的硬件设计

4.1单片机AT89C51功能简介

图4.1 单片机89C51芯片

主要性能参数

4．2相位比较电路的设计

4．3 A/D转换电路的设计

4．4键盘与显示电路的设计

4.5直流电源电路的设计

5.移相电路的设计

5.1模拟式移相电路的设计

5.2数字式移相电路的设计

6．系统软件流程设计

6.1系统主程序流程图

6．2系统键盘处理流程图

6．3 系统键盘处理流程图

6.4 AD7705转换程序流程

6.5 MAX7219显示程序流程

结论

参考文献

附录

数字式相位测量系统设计兰州工业高等专科学校 1.1 国内外相位测量技术的发展现状 1. 绪论随着电子技术和计算机技术的发展，相位测量技术得到了迅速的发展，尤其在电气、电力技术方面得到了极大地重视和发展。目前，相位测量技术已较完善，测量方法及理论也较成熟，相位测量仪器已系列化和商品化，广泛应用于测量 RC、LC 网络、放大器相频特性以及依靠信号相位传递信息等方面的电子设备。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，国内外提出了许多改进的高精确度的相位测量方法，主要包括有：（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）采用新的算法来实现相位测量。（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。基于不同微处理芯片也已经开发了许多不同的相位计，常见的有以下几种：（1）基于 FPGA/CPLD 实现相位测量。它的优点是可以进行功能仿真，而且 FPGA 和 CPLD 的片内资源丰富，设计的流程简单，缺点是开发成本高。（2）基于单片机控制的相位计。该方法由过零检测及异或电路，将两路输入信号的相位差转换成方波，再利用单片机对该方波的高低电平分别计数，通过求得占空比得到相位差。（3）基于 DSP 技术的相位计。相位检测系统主要由前置电路实现将被测信号(无论是电压还是电流) 变换为 5V 以内交流电压信号；由电压跟随器提高整个系统的输入阻抗， 1

数字式相位测量系统设计兰州工业高等专科学校以保证测量系统与被测信号源相接时不吸收信号源能量，使信号源的工作状态不被改变。（4）基于 PLD 和 PLL 的相位计。该数字式相位差测量仪以可编程逻辑器件（PLD）和锁相环（PLL）倍频电路为核心，实现两列信号相位差的自动测量。在相位/频率测量技术方面，美国一直处于领先地位，主要的研究机构及公司有 Agilent(安捷伦)、Tektronix(泰克)、AD—YU 公司及 DRANETZ 实验室。俄罗斯，英国，德国在此领域也具有较高的水平。国外的主要产品有美国安捷伦公州的般通道 Agilent 53131IA 型通用计数器，如图 1 所示。该产品提供 10 位/秒的频率/周期分辨率和 225MHz 带宽，测量时间结果范围是一 1ns～10000s，时间分辨率为 500ps，测相范围为-180°～360°，提供高达 12.4GHz 的频率测量。标准测量包括相位、频率、周期、时间间隔和上升/下降时间等，具有数学统计校准功能。英国 Avpower 公司的高精度相位计 SDl000：具有自动量程设置，频率范围高达 700kHz，可直接输甚止高频可达 100GHz，相位分辨率可达 0.0010，相位测量范围为 0° ~360°或一 180°～180°，在相位准确度(精度)方面，低频为士 0.0020，高频为士 0.20，微波为士 0.10。入 500V(峰值)电压信号，用于测量 U．U、U．I、I·I，相位精度 0．020，该产品被认为是目前最高等级的相位计，输入信号范围为 lmV--350V(500V pk)，产品实物如图 2 所示。通过调研，目前国外商品化的通用相位计的水平为低频段达 lxHz 数量级，图 1.1 Agilent53131A1 型计数器国内测相领域起步比较晚，相位测量技术的研究从 70 年代开始，早期研究相位测量图 1.2 SDl000 型高精度相位计的单位和技术人员较少，国内生产商品化相位计的主要厂家仅有天津中环电子仪器公司，相位计量机构是中国计量科学研究院和国防科工委，产品也主要针对于工频信号(50Hz) 的相位测量。目前，国内相位计产品化发展迅速，如深圳新创仪器仪表 SP312B 系列等精度通用计数器/相位计，产品如图 3 所示，它以高性能的 AVR 单片机与 CPLD 为核心，测频分辨率 8 位/秒，测周范围 10ns~7000s，测时范围 40ns~7000s，相位测量范围 0°～360°，测相精度 0．05°，测量功能与 Agilent 53131A 型计数器基本相同，但测量指标略低。还 2

数字式相位测量系统设计兰州工业高等专科学校有天津中环科仪电子仪器公司 HG4180 型数字相位计，其特点：频率范围覆盖超低频和音频频段﹑测相精度高﹑除测量相位外还能测量频率、在全部频率范围内都能直接得到五位有效数字的频率读数﹑具有 IEE488 接口选件。主要针对与工业测量领域，产品如图 4 所示。总的来说，我国的相位测量技术与国外有较大的差距，主要体现在产品种类较少，配套产品少；产品测试功能单一；仪器精度、数字化和自动化程度不高；相位计量标准不完备。因此对高精度相位测量算法的研究和相位计产品化设计刻不容缓。图 1.3 SP312B 型等精度通用计数器图 1.4 HG4180 型数字相位计 1.2 本课题研究的主要内容本课题是实现对两列信号的相位差的精确测量并数字显示测量结果。通过认真调研国内外相位测量的应用现状和发展趋势，分析当前工业用的工频相位测量所采用的算法，并详细分析当前各种相位测量的方法，比较各种相位测量方法的优越性，在分析前人的成果的基础上，确定课题的解决方案。满足了本课题相位检测的要求，为达到要求的精度本设计采用了将相位转换为直流电压的间接测量方法。用 16 位 A/D 对输出的直流电压进行采样，送入单片机进行相位显示。这样就使得相位差就具有足够高的分辨度，完成了任务要求。在单片机 AT89C51 实现以上功能的同时，利用单片机中的多位计数器/定时器对输入信号进行等精度频率测量，为测量方便还设计移相电路设计。 1.3 本课题研究的目的和意义相位测量作为一种重要的信号检测技术，已广泛应用于电力、机械、航空航天、医疗、化工等领域，而其性能往往对应用的系统起着重要的作用。目前，国内相位计生产厂家或研究单位明显存在着技术老化问题，其采用的器件、方法和技术与发达国家相比有较大的差距。同时，随着国防和科教等的发展有迫切需要高精度、高性能的相位计。本文以弹片机为核心、16 位 A/D 转换器测量相位差，用 LED 数码管显示测量结果，构成一个高精度、高性能的数字式相位计，满足当前社会的需求。 3

数字式相位测量系统设计兰州工业高等专科学校随着相位检测技术在各个应用领域的进一步深入，为满足工程测量的要求，系统分析相位计的原理和研究国外最新的相位测量方法，不断的将先进的计算机技术及新一代器件和新的设计方法等应用于相位计中，具有长期而深远的意义。针对现在很多领域需要高进度、高性能的相位计，本论文的主要目的是从相位差的测量方法入手，在系统的分析、研究相位计的原理和当今最新相位检测技术的基础长，将先进的相位检测方法和新一代器件和新的设计方法等应用于相位计中，进一步提高相位测量的精度与速度，从满足工程应用场合下的相位检测的要求。 4

数字式相位测量系统设计兰州工业高等专科学校 2. 相位测量的基本原理 2.1 相位的基本概念相位是信号的三种特性之一（另外两种分别为频率、幅度），它说明谐波震荡在某一瞬时的状态。在数学上定义为正弦或余弦的幅角，其数学模型为： )( tu  E sin( )   t 式中是初相角，  t 是相位角，通常称为相位。   t t)(  由式（2.2）可以看出相位是时间t的线性函数。令  t1 、 )(2 t 表示角频率为 1、 2 两个简谐振荡的相位，则有： ) (  2  由式（2.3）可知相位差也是时间t的线性函数  2 )( t )( t )( t ) t         ( ) ( t 1 2 1 1 2 1 （2.1）（2.2）（2.3）若 1= 2 即两个同频信号，则有： )( t  )( t   （2.4）式（2.4）表明，两个同频信号的相位差为常数，由其初相位角确定，即我们通常所说  2 )( t  2 1 1 的静态差。假设，我们选定一个信号为参考信号，设它的初相角为零，如： 1 =0 ,则 )(1 tu  E sin( t  ) )( tu 2  E sin(   2 t ) 由式（2.5）确定的信号叫基准信号，式（2.6）确定的信号称为被测信号。 u1(t)和u2(t)的相位差：式（2.7）中的负号表示 1滞后 2 或 2 超前 1。  1    1 2 （2.5）（2.6）（2.7） 2.2 相位测量的技术指标相位测量的技术指标组成部分（1）相位测量能够保证测量精确度的频率范围。（2）相位量程相位测量无模糊测相的范围。（3）电平范围相位测量在规定的幅度-相位误差范围内所容许的最大信号电平范围。（4）相位分辨率（相位灵敏度）相位测量能够分辨的最小单位。它通常为显示最低一位数字代表的相位差。 5

数字式相位测量系统设计兰州工业高等专科学校（5）相位极性相位测量结果的极性是以参考信号的相位作为参考来定义的。（6）相位模糊范围当被测相位值较小时会发生相位测量结构不稳定或误差明显增大的情况，将此段区域称为相位模糊范围或相位不连续。（7）相位准确度相位测量的实际值与理论值的偏差程度。（8）相位-频率特性相位准确度或误差随信号频率变化的特性。（9）幅-相位误差包括两路信号电平作同方向变化通道引入的相位差和两路信号幅值不等引起的相位误差。 2.3 相位测量的原理相位测量的在工业生产中具有重要的作用，测量相位的方法也是层出不穷。随着科学技术的发展，大规模集成电路的进步，计算机技术的飞速发展，基于硬件的相位测量和虚拟仪器的相位测量方法不断涌现，把两路信号通过信号调理以后转变成量程范围内的正弦波，经过过零检测，转变成方波，利用方波来控制计数器的开停，通过添加高频脉冲计数，把相位差转化成时间差从而测出相位。如图2.1所示，输入的两个正弦波信号，u1(t)为被测信号，u2(t)为延时后的被测信号，图2.1 被测信号u1(t)和u2(t) 其表达式分别是：   tu 1  u 1 m sin   tu 2  u m 2 sin t  1    2   t （2.8）（2.9）是一个与时间无关系的常数，由显然u1(t)和u2(t)的频率相同，因此，相角差 1  2   图2.1可以看出，T1为延时时间，T为被测信号周期，那么测得T1和T的比值，由  0 360  就可以计算得到u1(t)、u2(t)的相位差。 T1 T 6

数字式相位测量系统设计兰州工业高等专科学校 3.相位测量系统的总体方案设计 3．1 系统任务需求分析课题要求（1）设计并制作一个相位测量仪 a．频率范围： 20Hz～20KHz。 b．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在 1V～5V 范围内变化。 c. 相位测量仪的输入阻抗≥100K。 d. 相位测量绝对误差≤ 2 。 e. 具有频率测量及显示功能。 f. 相位差数数字显示：相位读数为 0 ～（2）移相网络 a．输入信号频率： 100Hz，1K，10Kz。 b．连续相移范围：  c. A、B 输出的正弦信号峰-峰值可分别在 0.3V～5V 范围内变化。十进制数字显示，显示刷新时间 1～10 秒连续可调，对上述三种量功能分别用不同 359 ，分辨力为 1.0 。 9.  45 ～   45 。颜色的发光二极管指示。 3.2 设计方案的比较论证相位测量在工业生产中具有重要作用，相位的测量方法也是层出不穷。现总结几种: 直接使用示波器，相位差转换为电压，与标准移相器比较（零示法），相位差转换为时间间隔等。但总是存在这样或那样的不足，下面介绍双踪（双线）示波法和两种基于单片机的测量相位差的方法。 1.双踪(双线)示波法利用示波器的双踪显示功能，是测量相位差的最直观、最简便的方法,而且对所有频率信号均能进行,尤其适用于测量电路内部的固有相移。测量方法是：利用双踪（双线）示波器，将两个信号u1(t)、u2(t)分别接到示波器CH1 道上；示波器置双路显示方式，同步触发信号选择两个被测信号之一，最好选其中幅度较大的那一个；将示波器的扫描速度微调旋钮置“较准”位置，调节有关旋钮，使荧光屏上显示两条大小适中的稳定波形，如图3.1所示。 7

数字式相位测量系统设计兰州工业高等专科学校图3.1 示波法测量相位差先利用荧光屏上的坐标测出信号的一个周期在水平方向所占的长度DT(注意：正弦波变化一个周期，相当于3500)，然后再测出两波形上对应点(如过零点，峰值点等)时间的水平距离D则相位差△φ为 △φ=360°× T1 T （3.1）相位差符号的确定，相位差符号是由两个信号的相对位置而定的，从图3.1可以看到u2(t) 滞后于u1(t),则  1   2 为负;而 1    2 为正,说明u1(t)超前u2(t)。由于相位每个周期重复360°，因而可用多种方法描述同一相位关系。例如，也可以说u1(t)滞后u2(t)270°，这些表示方法都是正确的。 2.直接应用AT89C51自身的沿捕捉功能使用单片机 AT89C51 RD2 中 CAP 模块的捕获模式对输入信号进行沿捕捉(如图 3.2)。将 CCAPMn 中的位 CAPN 和/或 CAPP 置位，CEXn 输入的信号出现上升或下降沿时 PCA 硬件将 PCA 计数器寄存器 CH 和 CL 的值装入模块捕获寄存器（CCAPnL 和 CCAPnH）与此同时置位 CCFn 标志如果 CCAPMn 中的 ECCFn 位已经置位则会产生中断。图 3.2 PCA 捕获模式 8

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