数字相位测量仪
电子设计竞赛报告
电子设计竞赛报告
题目: 数字相位测量仪设计报告
院系名称：电气工程学院专业班级：电气F1104班学生姓名：陈x超学号：
指导教师：教师职称：副教授
评语及成绩：
指导教师：
日期：
摘要
本设计提出了一种基于c8051f020单片机开发的低频数字相位测量仪的方案。主要包括相位测量模块、单片机最小系统、显示模块的设计。可以对低频率范围的信号进行相位等参数的精确测量，测相绝对误差不大于1°。相位测量模块采用对输入的两路信号（同频率、不同相位）通过比较器整形、鉴相器异或之后得到的相位差，输入到单片机的中断口进行数据采集处理；采用数码管显示被测信号的相位差。硬件结构简单，软件采用汇编语言实现，程序简单可读写性强、效率高。与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。
关键词相位差单片机比较器整形数码管
目录
1.方案设计
1.1设计方案论证
从功能角度来看，相位测量仪要完成信号相位差的测量。相位测量仪有两路输入信号，也是被测信号，他们是两个同频率的正弦信号，频率范围为20Hz~20KHz （正好是音频范围），幅度为U PP =1~5V ，但两者幅度不一定相等。 相位和相位差的概念[4]：
令正弦信号为：
()()0sin ?ω+=t A t A m
（2.1） 2.1式中Am 称为幅值（最大值），且A A m 2=，A 称为有效值；()0
?ωθ+=t t 称为相位，0?称为初相位，ω称为角频率。Am 、ω、0?称为正弦量的三要素。 只有两个同频率的（正弦）信号才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正
弦信号为：
()()()()
02220111sin sin ?ω?ω+=+=t A t A t A t A m m
（2.2）
则相位差：
()()02010201???ω?ωθ-=+-+=t t （2.3）
由2.3式中可看出，相位差在数值上等于初相位之差，θ是一个角度 不妨令θωθT =，其中θT 是相位差θ对应的时间差，且令T 为信号周期，则有比例关系：
θθ:360:T T = （2.4）
可以推导得到：
()360/?=T T θθ （2.5） 式子2.5中可以说明，相位差θ与θT 一一对应，可以通过测量时间差θT 及信号周期T ，计算得到相位差θ，这就是相位差的基本测量原理。
由于相位差的基本测量原理可知，相位差的测量本质上是时间差θT 及信号周期T 的测量，也就是时间的测量，而时间的测量不可避免地要用到电子计数器。
时间的测量有多种方法，而设计题目关于相位测量仪的技术指标要求会影响到我们对方案的选择，MCU 应用系统一般能较好的实现各种不同的测量及控制功能，往往还能满足一些设计要求比较高的技术指标，因此，我们在进行电子系统设计时，可用MCU 实现系统功能，完成系统指标。
1.2相位差测量方案选择
相位差测量的基本原理[5]主要有三种：对信号波形的变换和比较、对傅氏级数的运算及对三角函数的运算，其实现方法如下：
过零点检测法[6]：这是一种将相位测量变为时间测量的方法，其原理是将基准信号通过零的时刻与被测信号通过零的时刻进行比较，由二者之间的时间间隔，推算出两信号之间的相位差。这种方法的特点是电路简单，对启动采样电路要求不高，同时该方法还具有测量分辨率高、线性好、易数学化等优点。
倍乘法：任何一个周期函数都可以用傅氏级数表示，在这里运算器是一个乘法器，两个信号是频率相同的正弦数，相位差为一个角度?，运算结果再经过一个积分电路，得到直流电压：
?cos k V = （2.6） 电路的输出和被测信号相位差余弦成比例，因此其测量范围在45°以内，欲使测量范围扩展到360°，需要附加一些电路才能做到。这种方法由于应用了积分环节，可以滤掉信号波形中的高次谐波，抑制了谐波对测量准确度的影响。
矢量法：任何一个正弦函数都可以用矢量来表示，如两个正弦信号幅度相等、频率相同,运算器运用减法器则合成矢量的模：
2
sin
2?
E V = （2.7）
这种方法用于测量小角度，灵敏度较好，可行度也较好；而在靠近180°附近灵敏度降低，读数困难也不准确。由于输出是一余弦或正弦函数，因此这种方法适用的频带范围是较宽的信号。
上述三种测量相位的方法，各有优缺点，从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看，过零点检测法比较好，它输出正比于相位差的直流电压和相位差的脉冲数，还易于实现数字化和自动化，现代的数字相位表多采用这种原理构成。
鉴相器就是异或门，在鉴相器的输出波形I 、V 中，正脉冲宽度就是要测量的I 和V 相位差所对应的时间差T θ，如图2-3所示。
在测量相位差时还应考虑超前、滞后两种情况（如图2-3中所示为I 超前V ）。把I ⊕V 波形中的正脉冲作为门控信号，控制闸门的启闭，即控制单片机内部定时器/计数器的启动/停止，从而达到测量时间差T θ的目的，再根据公式θ=ωT θ，计算得到相位差T θ。
另外，由图2-3可知，I ⊕V 信号是I 信号的二倍频（I 与V 同频），由此可见，对于同频不同相的两个信号，经过异或门后可得到二倍频的信号。因此从这个意义上讲，异或门可实现信号的二倍频。
I
V
I、V
图2-3 鉴相器的输入、输出波形图
1.3 原理框图
以单片机为核心的相位测量仪原理框图如图2-1所示。
两路待测信号经整形后变成了矩形波I、V，且可以认为I和V是同频率、不同相伴的矩形波。
图2-1 以单片机为核心的相位测量仪原理框图
1.4 单片机测量时间差、周期的方法
下面详细谈谈单片机测量时间差、周期的方法。
1.4.1、定时器
C8051F020 内部有5 个计数器/定时器：其中三个16 位计数器/定时器与标准8051 中的计数器/定时器兼容，还有两个16 位自动重装载定时器可用于ADC、SMBus、UART1 或作为通用定时器使用。这些计数器/定时器可以用于测量时间间隔，对外部事件计数或产生周期性的中断请求。定时器0 和定时器1 几乎完全相同，有四种工作方式。定时器2 增加了一些定时器0 和定时器1 中所没有的功能。定时器3 与定时器2 类似，但没有捕捉或波特率发生器方式。定时器4 与定时器2 完全相同，可用作UART1 的波特率发生源。
当工作在定时器方式时，计数器/定时器寄存器在每个时钟滴答加1。时钟滴答为系统时钟除以 1 或系统时钟除以12，由CKCON 中的定时器时钟选择位（T4M-T0M）指定。每滴答为12 个时钟的选项提供了与标准8051 系列的兼容性。需要更快速定时器的应用可以使用每滴答1 个时钟的选项。当作为计数器使用时，所选择的引脚上出现负跳变时计数器/定时器寄存器加1。
1.4.2、 具体实现方法
电路图如图2-5所示，该电路由单片机、整形电路、门电路等组成。由定时器/计数器T0、T1分别测量周期、时间差。
图2-5 单片机测量时间差、周期的电路图
时序图如图2-6所示。需要说明的是，由软件创建一标志位2FH.1，当输入引脚P3.6=0时，CPU 置位标志位2FH.1，而当P3.6=1时，CPU 在读取时间差数据后清零标志位2FH.1。
图2-6 时序图
2 系统硬件设计
本设计将硬件系统分为数据采样处理及单片机最小系统两个部分，这就充分发挥了单片机控制运算能力强的特点。数据采集由鉴相器完成，可以准确地采集到两个同频正弦的相位差所对应的时间差以及信号的周期，从而提高系统的可靠
F
E D
定时器测量时间差
CPU 从定时器计数据并清零定时器
定时器测量周期
C
B
A
性。由于单片机具有较强的运算、控制能力，因此，使用单片机最小系统完成读取鉴相器得到的数据，并根据所读取的数据计算待测信号的频率及两路同频信号之间的相位差。同时通过功能键切换，由显示模块可以显示待测信号的频率和相位差。
2.1输入电路设计
输入电路起到波形变换及整形的功能，由于被测信号是周期相同、幅度和相位不同的两路正弦信号，为了准确地测量出两路正弦信号的相位差及其频率，需要对输入波形进行整形，使输入信号变成矩形信号，并送给鉴相器进行处理。我们设计了这两种整形输入电路方案。第一种方案是使用单门限电压比较器来完成，当输入信号电压每通过一次零时限电压比较器的输出就要翻转一次，即比较器的输出端将产生一次电压跳变，它的正、负向幅度均受到供电电源的限制，因此，输出电压小型是具有正负极性的方波，这样就完成了电压波形的整形工作。但是通常情况下，输入信号往往会含有干扰，这对单门限电压比较器尤为不利，由于有干扰信号，导致单门限电压比较器在输入信号过零点时会产生多次触发翻转的现象，这样就会导致采集数据（计数）不准确，从而使单片机无法计算出正确的被测信号的频率和相位差数值。这种方案电路图如图2-1。
?
7
6
1
3
1
2
1
LM339
7
6
1
3
1
2
2
LM339
R1
100k
R2
100k
R3
10k
R4
10k
D1
15ETH06-1
D2
15ETH06-1
D3
15ETH06-1
D4
15ETH06-1
+5v
-5v
D5
15ETH06-1
D6
15ETH06-1
+5v
+5v
V1
V2
图2-1 采用单门限电压比较器的整形电路
另外，在相位差测量过程中，不允许两路被测输入信号在整形输入电路中发生相对相移，或者应该使得两路被测信号在整形输入电路中引起的附加相移是相同的，因此，我们对A、B两路信号采用了相同的整形电路。为了避免出现被测输入信号在过零点时多次触发翻转的现象，我们设计了第二种整形电路，即使用迟滞比较器组成的整形电路。由于在单门限电压比较器的基础上引入了负反馈网络，因为负反馈的作用，它的门限电压跟着输出电压U0的变化而改变，从而使
施密特触发器有两个门限电压,所以可以提高输入电路的抗干扰能力。第二种整形电路电路如图2-2所示，电路中我们使用两个施密特触发器触发器对两路被测输入信号进行整形。在图2-2中，比较器LM339连接成施密特触发器的形式。
7
61
3
12
U1:A
LM339
R1
1k
R2
1k
R4
510
+5v
R1(1)
+5v
5
4
2
3
12
U1:B
LM339
R2(1)
R3
510
+5v
1
23
U2:A
74LS86
U3
AND
R5
100
R6
10k
R7
10k
R8
100
A
B
C
D
图2-2采用双门限持之电压比较器整形电路
2.2 、C8051F020特性
C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU 芯片， 具有64 个数字I/O 引脚 （C8051F020/2）或32 个数字I/O 引脚（C8051F021/3）。下面列出了一些主要特性；
1. 高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核（可达25MIPS ）
2. 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）
3. 真正12 位（C8051F020/1）或10 位（C8051F022/3）、100 ksps 的8 通道ADC ，带PGA 和模拟多路开关
4. 真正8 位500 ksps 的ADC ，带PGA 和8 通道模拟多路开关
5. 两个12 位DAC ，具有可编程数据更新方式
6. 64K 字节可在系统编程的FLASH 存储器
7. 4352（4096+256）字节的片内RAM
8. 可寻址64K 字节地址空间的外部数据存储器接口 9. 硬件实现的SPI 、SMBus/ I2C 和两个UART 串行接口 10. 5 个通用的16 位定时器
11. 具有5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列 12. 片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器
13 具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020/1/2/3
是真正能独立工作的片上系统。
C8051F020/1/2/3单片机所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。片内JTAG 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式（不占用
片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
图2-3 元件管脚分布
2.2.1、时钟电路
计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路，因此选择了内部时钟方式。利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路如图4-9所示，单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。外接晶振时，C5和C6值通常选择为30PF左右。C5，C6对频率有微调作用。晶体CR的频率范围可在1.2～12MHZ之间选择。在实际连接
中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。
C1
30pF C2 30pF X1 CRYST AL X1
X2
图2-4 c8051f020振荡电路
分析可知,只要计数脉冲的间隔相等，则计数值就代表了时间的流逝。由此，单片机中的定时器和计数器是一个东西，只不过计数器是记录的外界发生的事情，而定时器则是由单片机提供一个非常稳定的计数源。那么提供给定时器的计数源就是由单片机的晶振经过12分频后获得的一个脉冲源，计数脉冲的间隔与晶振有关，12M的晶振，计数脉冲的间隔是1微秒。
2.2.2复位电路
由图2-5可以看出，是单片机的按键电平复位电路，相当于按复位键后复位端通过电阻与Vcc电源接通。复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位，当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。看门狗计时完成后，RST 脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。因而，复位是一个很重要的操作方式，但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来实现。这种复位电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST 端电压慢慢下降，降到一定程度，即为低电平，单片机开始正常工作。
R1 10k
R2 1k R3 1k
C1 104nF C2
1uF
/RST
VDD
图2-5 c8051f020复位电路
2.3、显示模块设计
显示电路[14]由4个共阳极8段LED数码管和4片串入/并行的移位寄存器74164芯片组成。这种显示方式不仅可以简单得到较为简单的硬件电路，而且可以得到稳定的数据输出显示，不仅占用单片机端口少，而且可以充分了利用单片机芯片内部的串行口资源，简化软件编程。
多位LED显示时，常将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由另一个8位I/O口控制；也可采用并行扩展口构成显示电路。通常，需要扩展器件管脚的较多，价格较高。在这里我们利用单片机的一个并行I/O口实现多个LED显示的简单方法。图4-11所示是该电路的显示模块电路原理图。其中，74164是8位并行输出门控串行输入移位寄存器，LED 采用共阳极数码管。
显示时，其显示数据以串行方式从c8051f020的RXD口输出送往移位寄存器74164的A、B端，然后将变成的并行数据从输出端Q0～Q7输出。
R2
510
R3
510
R4
510
R5
510
R6
510
R7
510
R8
510
R9
510 R10
510
R11
510
R12
510
R13
510
R14
510
R15
510
R16
510
R17
510
R18
510
R19
510
R20
510
R21
510
R22
510
R23
510
R24
510
R25
510
R26
510
R27
510
R28
510
R29
510
R30
510
R31
510
R32
510
R33
510Vcc
Vcc
SRG8
R
C1/->
&1D
13 2
4
5
6
10 8
11
12 9
13 U2
74164
SRG8
R
C1/->
&1D
13 2
4
5
6
10 8
11
12 9
13 U3
74164
SRG8
R
C1/->
&1D
13 2
4
5
6
10 8
11
12 9
13 U4
74164
SRG8
R
C1/->
&1D
13 2
4
5
6
10 8
11
12 9
13 U5
74164
RXD
TXD
图4-11 显示模块电路原理图
3 系统软件设计
程序是为计算某一算式或完成某一工作的若干指令的有序集合。计算机的全部工作概括起来，就是执行这一指令序列的过程。为计算机准备这一指令序列的过程称为程序设计。可用于程序设计的语言可分为三种：机器语言、汇编语言和高级语言。
在计算机中，所有的数符和指令都是用二进制代码来表示的。这种二进制代码表示的指令系统称为机器语言。计算机可以识别机器语言并加以执行。但对于使用者来说，不易看懂，不便记忆，容易出错。为了克服这些缺点，汇编语言出现了。
程序设计自动化的第一阶段就是用英文字符来代替机器语言，这些英文字符
被称为助记符。用助记符表示指令系统的语言称为汇编语言，用汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。但是，计算机不能直接识别在汇编语言中出现的字母、数字和符号，需要将其转换成用二进制代码表示的机器语言程序，计算机才能够识别和执行。汇编语言醒目、易懂、不易出错，即使出错，也容易被发现修改，执行速率高，本次设计就是采用汇编语言程序编写的代码。
系统连续3次测量时间差和周期，每一次测量时间差和周期占用两个待测信号周期T的时间。单片机在处理数据（数字滤波、计算、送数据显示、键盘处理）期间，使用软件停止定时器工作。显示部分采用UART方式0串行送数据给74164，由74164驱动LED数码管显示，这样可以减轻CPU的负担（相对于动态扫描而言）。
系统主程序是一个顺序执行的循环程序，框图如图4-1所示。子程序SUB1完成的功能是3次测量时间差、周期并保存到内存。了程序SUB1的流程图如图4-2所示。因这第一次测量时间差、周期的起始时刻表一定的随机性（这是由于软件启动定时器/计数器T0、T1第一次分别测得的周期、时间差是不准确的，故舍弃）。
MCU完成的任务有三个方面,归纳为以下三点：
（1）从鉴相器获取数据。单片机从鉴相器获取两种数据，一是待测信号的周期T（单位是1μs），为16bit无符号二进制数，二是待测信号的相位差对应的时间差Tθ（单位也是1μs），也为16bit无符号二进制数。
（2）对获取的数据进行处理：
从前面分析可知频率f=1/T，θ=（Tθ/T）×3600，但89C51获得的周期数据单位是1μs，而要测得的频率是在1s内测得的频率值，所以可求得f=1/T/10-6，即可得到f=1000000/T。
1）按照公式f=1000000/T计算频率，单位是Hz，这是一个多字节除法运算问题。
2）按照公式θ=Tθ/T×3600计算相位差，单位是1，这是一个多字节乘法、除法运算问题。
（3）题目要求相位差显示为0o~359.9，分辨率为0.1o，则数码管选4个。
3.1程序流程图
通过分析单片机应完成的任务可知，这些任务可以按顺序执行（没有对时序要求很严格的任务）。所以，整个单片机源程序由主程序及若干子程序组成，而主程序是一个循环执行的顺序程序。主程序流程图如图4-1所示，主程序主要完成待测信号的频率、相位差的测量，并由键盘作为功能键切换，由显示模块LED 显示出结果。
具体思路：首先初始化程序，包括定义各内存空间，各标志位，初始化堆栈、寄存器等；由于程序要用到T/C，所以应首先使TR0和TR1置位，即由INT0和INT1引脚的外部信号控制T/C的启动和停止；为使测量的频率、相位差准确，程序设计采用调用三次测量时间差、周期的子程序SUB1，并将测量到的时间差、周期保存到内存中；采了3个值后，使TR0和TR1复位，计平均数，再计算频率、相位差，即可得到较准确的相位差值；最后键盘作为功能键切换，由LED 显示出待测信号的频率和相位差。
具体思路：初始化程序时设频率显示缓冲区首地址为70H，相位差显示缓冲区首地址为78H，进入显示子程序DISPLAY后，先查询控制显示频率或相位差
的标志位2FH.0，若2FH.0=0，则转去执行显示相位差；若2FH.0=1，则转去执行显示频率，不管显示频率还是相位差，都应先将显示缓冲区首地址赋给R0保存；接下来消隐去掉无效数字0；在LED上显示结果，需查表求段码，并经UART 方式来发送段码，直至显示数码送完，这样，即可完成相位差的显示。
开始
初始化
TRi=1(i=0,1)
调用子程序SUB1；测量3次
时间差、周期并保存到内存
TRi=0
中值数字滤波
计算频率、相位差
键盘处理
送数据显示
图3-1 主程序流程图
图3-2 测量时间差、周期子程序流程图
Y
Y Y N
N
N
Y N
SUB1入口 R 4=4（R 4是计数器）
保存周期TH0、TL0、保存时间差TH1、清零定时器T0、
清零标志位R 4-1送R 4
SUB1出口
P3.6=1
2FH.1=1
SETB
R 4=4?
R 4=0?
入口
装入被乘数和乘数到内存
做乘法
装入被除数和除数到内存
做除法求相位差
将二进制数据转换为压缩BCD码
将压缩BCD码转换为单字节BCD码
存入数据到显示缓冲区78H~7EH
出口
图3-3 计算相位差子程序流程图
3.2 单片机源程序
用汇编语言编写的单片机源程序如下：
3.2.1、符号定义
DATA1 EQU 40H ;16bit周期T的数据存放内存单元
DATAH EQU 41H
DATA2L EQU 43H ; 16bit相位差对应的时间差的数据存放内存单元
DATA2H EQU 44H
;--------------------------------------------------------------------------------------------------
;除法占用单元及乘法占用单元
AD0 EQU 30H ;存放被除数（或被乘数）的字节数单元
AD1 EQU 31H ;存放除数（或乘数）的字节数的单元
ADA EQU 4FH ;存放被除数（或被乘数）的末地址，即最
低位低字节单元地址
ADB EQU 5FH ; 存放除数（或乘数）的末地址，即最低
位低字节单元地址
ADC EQU 4DH
ADE EQU 5DH
KEY1 BIT P1.7 ;切换显示的按键S1
KEY2 BIT P1.6 ;未使用按键S2
ALA BIT P3.5 ;未使用
DISPBIT BIT 2FH.0 ;控制显示频率或相位差的标志
位
SAMP1A EQU 40H
SAMP1B EQU 41H
SAMP1C EQU 42H
SAMP2A EQU 43H
SAMP2B EQU 44H
SAMP2C EQU 45H
SAMP3A EQU 46H
SAMP3B EQU 47H
SAMP3C EQU 48H
SAMP4A EQU 49H
SAMP4B EQU 4AH
SAMP4C EQU 4BH
SAMP5A EQU 4CH
SAMP5B EQU 3DH
SAMP5C EQU 3EH
3.2.2 主程序
ORG 00H
LJMP 100H
ORG 100H
MAIN: MOV 2FH,#01H
MAIN1: NOP
SETB TR0
SETB TR1
LCALL SUB1
CLR TR0
CLR TR1
LCALL ZZLB
LCALL ZHUNBEIZHOUQI ;装入频率计算数据（1000000及周
期T）分别到4AH~4DH及
5DH~5EH中
CLR 2F H.3
JNB 2F H.3,DIVDD1
LJMP CHCHU
DIVDD1:LCALL DIVD1 ;调用除法子程序（4字节除以2字节）计算频
率
MOV 6FH,4FH ;二进制形式的频率值在4E、4FH中，最高位在
4EH中
MOV 6EH,4EH
MOV 35H,4FH
MOV 34H,4EH
LCALL BCDST ;将二进制数据转换成BCD码
MOV R0,#30H
MOV R1,#3FH
MOV R7,#04H
MOV 30H,#0
MOV 31H,#0
LCALL BCD 2BCD ;将压缩BCD码格式转换成单字节BCD码
格式
MOV 70H,#18 ;频率值存放在30H~31H中，最低位在30H
中，最高位在32H中
MOV 71H,30H ;内存单元70H~72H是频率值显示缓冲区，
其中70H是符号位
MOV 72H,31H
MIANWC:LCALL X360 ;装入相位计算数据
LCALL MULNM ;调用乘法子程序求360乘以时间差（2字
节乘以2字节）
MOV 4CH,5CH ;将上述乘积送入除法的被乘数缓冲区
MOV 4DH,5DH
MOV 4EH,5EH
MOV 4FH,5FH
MOV 5FH,DATAL ;装入被测周期T的数据
MOV 5EH,DATAH
LCALL DIVD1 ;调用除法子程序计算得到相位差值
MOV 35H,4FH ;压缩BCD格式的相位差值存放在
4FH~4EH中，4FH中的为最低位MOV 34H,4EH
LCALL BCDST ;将二进制数据转换为压缩格式的
BCD码
MOV R0,#30H
MOV R1,#3FH
MOV R7,#04H
MOV 30H,#0
MOV 31H,#0
LCALL BCD 2BCD ;由压缩BCD码转换为单字节BCD
码
MOV 78H,#16 ;相位差值存放在30H~31H中，最低位
在30H中，最高位在31H中MOV 79H,30H ;内存单元78H~7AH是相位差值显示
缓冲区，其中78H是符号位MOV 7AH,31H
CHCHu:LCALLDISP ;调用显示子程序
KEYCOD:JB P1.7,MIANI1 ;查询按键S1
LCALL DELAY1 ;软件延时消抖
JNB P1.7,$ ;等待S1释放
CPL 2FH.0 ;取反标志位2 FH.0
LCALL DELAY2
MIANI1: LCALL DELAY1
LCALL DELAY1
LCALL DELAY1
LJMP MIAN1 ;继续主程序循环（主程序段到此为
此）
3.2.3 测量时间差、周期子程序
SUB1: MOV R4,#4
LOOP3: JNB P3.6,BZ
DJNZ 2F H.1,LC
CJNZ R4,#4,SA VE
JMP CT
SA VE: MOV DATAL,TL0
MOV DATAH,TH0
MOV DATA2L,TL1
MOV DATA2H,TH1
CT: CLR TR0
CLR TR1
CLR 2FH.1
SUB R4,#1
JMP LC
BZ: SETB 2FH.1
LC: CJNZ R4,#0,LOOP3
RET
3.2.4计算相位差子程序
PROC X360
X3600: MOV 60H, DATA2L
MOV 61H, DATA2H
MOV 62H, 68H
MOV 63H, 01H
RET
PROC MULNM:
MULNM: PUSH A;
PUSH B
PUSH PSW
MOV A, R0
MOV B, R2
MUL AB
MOV R6, A
MOV R7, B
MOV A, R1
MOV B, R2
相位测量仪
辽宁工业大学 电子综合设计与制作（论文）题目：低频数字式相位测量仪 院（系）：电子与信息工程学院 专业班级：电子班 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间：2013.12.13-2014.1.10
电子综合设计与制作（论文）任务及评语
摘要 该设计是低频数字式相位测量仪，设计思路为输入一个低频正弦信号通过分支路正常输出，另一路不通过移相器输出一个相位改变频率不变的正弦波。得到上述两路频率相同相位不同的信号后就要测出两信号的相位差和频率，在做此工作前先要经过相位测量前置级信号处理电路，由阻抗变换和放大、限幅、电平转换、整形电路组成。经过相位测量前置级信号处理电路得到两路方波，通过异或门输出一个脉冲序列与晶振产生的基准脉冲波进行与操作得到调制后的波形，在一定的时间范围内对脉冲的个数进行计数通过计算得到相位差和频率。再通过单片机控制显示器显示出所需结果。 关键词：低频；正弦；移相器；异或门；整形；
目录 第1章可编程增益放大器设计方案论证 (1) 1.1可编程增益放大器的应用意义 (1) 1.2可编程增益放大器设计的要求及技术指标 (1) 1.3 设计方案论证 (2) 1.4 总体设计方案框图及分析 (3) 第2章可编程增益放大器各单元电路设计 (4) 2.1 输入调整电路设计 (5) 2.2 中间级放大电路设计 (5) 2.3 输出级电路设计 (5) 2.4 增益调整电路设计 (6) 第3章可编程增益放大器整体电路设计 (7) 3.1 整体电路图及工作原理 (7) 3.2 电路参数计算 (7) 3.3 整机电路性能分析 (8) 第4章设计总结 (9) 参考文献 (10)
数字式相位差测量仪说明书4
目录 绪论 (1) 摘要 (2) 1 结构设计与方案选择 (3) 1.1 基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述 (4) 1.1.1 相位－电压法 (4) 1.1.2 相位－时间法 (5) 1.2 方案的比较与选择 (6) 2 相位－时间法单元电路的原理分析与实现方法 (6) 2.1 前置电路设计与分析 (6) 2.1.1 放大整形电路的分析与实现 (6) 2.1.2 锁相倍频电路的分析与实现 (7) 2.2 计数器及数显部分的设计与分析 (9) 2.2.1 计数器部分的分析与实现 (9) 2.2.2 译码显示部分的分析与实现 (10) 3 结论 (12) 4 参考文献 (13) 附录1：元器件名细表 (14) 附录2：相位时间法总体电路原理图 (15) 附录3：相位时间法总体电路PCB板 (16) 附录4：相位时间法总体电路PCB板3D视图 (17)
随着科学技术突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。数字相位差测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具，比如在电力系统中电网并网合闸时，需要两电网的电信号相同，这就需要精确的测量两工频信号之间的相位差。更有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中具备重要意义。相位测量的方法很多，典型的传统方法是通过显示器观测，这种方法误差较大，读数不方便。为此，我们设计了一种数字相位差测量仪，实现了两列信号相位差的自动测量及数显。近年来，随着科学技术的迅速发展，很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的使用比较简单，功能越来越多。 本低频数字相位测量仪主要是测量电压和电流的相位差，由整形放大电路、基本门电路、锁相倍频、计数译码等集成电路构成。测量的分辨率可达到0.1°，可测信号的频率范围为0Hz～250Hz，幅度为0.5Ⅴ，由于74HC4046的性能比较好，使得所制得的仪器精度相对较高，达到了任务书中所规定的要求。
简易数字式电阻、电容和电感测量仪设计
简易数字式电阻、电容和电感测量仪设计报告 摘要：本系统利用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149和ICL8038精密函数发生器实现对电阻、电容和电感参数的测量。本系统以自制电源作为LRC数字电桥和各个主要控制芯片的输入电源，并采用ICL8038芯片产生高精度的正弦波信号流经待测的电阻、电容或者电感和标准电阻的串联电路，通过测量电阻、电容或者电感和标准电阻各自的电压，利用电压比例计算的方法推算出电阻值、电容值或者电感值。利用MSP430F149单片机控制测量和计算结果，运用自校准电路提高测量精度，同时用差压法，消除了电源波动对结果的影响。测量结果采用12864液晶模块实时显示。实验测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。 关键词：LRC 数字电桥、电压比例法、液晶模块、MSP430F149、电阻电容电感测量 一、设计内容及功能 1.1设计内容 设计并制作一台简易数字式电阻、电容和电感参数测量仪，由测量对象、测量仪、LCD 显示和自制电源组成，系统模块划分如下图所示： 测量对象 LCD显示 电阻/电容/电感 简易的数字电阻、电容和电感测量仪 自制电源 1.2 具体要求 1. 测量范围 （1）基本测量范围：电阻100Ω～1MΩ；电容100pF～10000pF；电感100μH～10mH。 （2）发挥测量范围：电阻10Ω～10MΩ；电容50pF～10μF；电感50μH～1H。 2. 测量精度 （1）基本测量精度：电阻±5% ；电容±10% ；电感±5% 。 （2）发挥测量精度：电阻±2% ；电容±8% ；电感±8% 。 3. 利用128*64液晶显示器，显示测量数值、类型和单位。 4. 自制电源 5. 使用按键来设置测量的种类和单位 1.3系统功能 1. 基本完成以上具体要求 2. 使用三个按键分别控制R、C、L的测试 3. 采用液晶显示器显示测量结果 二、系统方案设计与选择 电阻、电容、电感测试仪的设计目前有多种方案可以实现，例如、使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前本文对各种方案进行了比较：
低频数字式相位测量仪(缪学进)
低频数字式相位测量仪 该系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三个模块构成,分别由两块单片机独立地实现控制与显示功能。采用ＤDS技术生成两路正弦波信号，并通过改变存储器中数据读取的起始地址来实现数字移相的功能,用Ф-T变换技术来实现相位差的测量,使得显示分辨率精确到0.０１o，测得的频率与相位差值送入LCＤ进行显示,加入红外键盘以及语音播报的功能，使得系统具有智能化、人性化的特色。 关键词:相位测量频率测量数字移相DDS语音播报 一方案论证与设计 1 相位测量方案 方案一：采用脉冲填充计数法。将正弦波信号整成方波信号，对两路方波信号进行异或操作之后输出脉冲序列的脉宽可以反映两列信号的相位差,以输入信号所整成的方波信号作为基频，经锁相环倍频得到的高频脉冲作为闸门电路的计数脉冲，由单片机对获取的计数值进行处理得到两路信号的相位差。 方案二:鉴相部分同方案一,将两路方波信号异或后与晶振的基准频率进行与操作，得到一系列的高频窄脉冲序列。通过两片计数器同时对该脉冲序列以及基准源脉冲序列进行计数,一路方波信号送入单片机外部中断口，作为控制信号控制两片计数器。得到的两路计数值送入单片机进行处理得相位差值。 对以上方案进行比较，方案一在所测频率较高时,受锁相环工作频率等参数的影响会造成相位差测量的误差，采用方案二由高精度的晶振产生稳定的基准频率,可以满足系统高精度、高稳定度的要求。 ２频率测量方案 方案一：用专用频率计模块来测量频率,如ＩＣM7216芯片,其内部带放大整形电路，可以直接输入正弦信号，外部振荡部分选用一块高精度晶振和两个低温度系数电容构成1０MHｚ振荡电路，其转换开关具有０.01s,0.1s，1s,10s四种闸门时间,量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果。该方案外围硬件电路较为复杂。 方案二:利用可编程计数器来实现频率的测量，将被测信号转换为方波信号输入可编程计数器825４的某一路Clｋ端口，并将Gate端置为高电平，利用单
推荐-FPGA和MCU的相位测量仪的设计 精品
存档日期：存档编号： 本科生（） 题目：基于FPGA和MCU的相位测量仪的设计 学院：电气工程及自动化学院 专业：电气工程及其自动化 XX大学教务处印制
随着社会和历史的不断进步，相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在低频范围内，数字式相位测量仪因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。 本文首先论述了相位测量技术的国内外发展概况，并根据现状设计了此相位测量系统。该设计包括系统设计的理论分析，系统结构设计及硬件实现，最终验证了该测量系统的可行性和有效性。 该设计采用单片机与FPGA相结合的电路实现方案,很好地发挥了FPGA的运算速度快、资源丰富、编程方便的特点,并利用了单片机的较强运算、控制功能,使得整个系统模块化、硬件电路简单、使用操作方便。文章主要介绍设计方案的论证、系统硬件和软件的设计,给出了详细的系统硬件电路图和系统软件主程序流程图。 关键词: 数字式相位测量仪单片机 FPGA 设计方案
Along with the social and historical progress, phase measurement technology is widely used in national defense, scientific research, production and other fields, on the phase measurement requirements are also gradually to high precision, high intelligent direction, in the range of low frequency digital phase measurement instrument, because of its high precision measurement resolution and highly intelligent, intuitive characteristics have been more and more widely applied. This text first discusses the phase measuring technology development in domestic and international, and according to the present situation designs the phase measuring system. The design includes system design theory analysis, system structure design and hardware realization, finally verified the feasibility and validity of the system. The bination of MCU and FPGA is adopted in the design .It has the features of FPGA high operating speed, abundant resources and convenient programming. And the use of MCU’s strong operation and control function, which makes the whole system modularized, the hardware circuit is simple and the operation is convenient. The paper mainly introduces the designs of the demonstration, hardware and software, the hardware circuits and main software program are given in detail.
相位测量仪
目录 前言 (2) 一、功能特点 (3) 二、技术指标 (3) 三、结构外观 (4) 1.结构尺寸 (4) 2.面板布置 (4) 3.键盘说明 (5) 四、液晶界面 (6) 五、使用方法 (10) 六、打印功能 (13) 七、注意事项 (13) 附录：三相三线计量接线48种接线结果 (14) 差动保护正确矢量图 (16)
前言 随着电力行业的发展和微机综合自动化产品的推广应用，保护回路和计量回路的接线正确与否直接影响到电力系统工作的稳定性和电费计量的准确性，而这两点正是电力系统非常重要的两个方面。由于保护装置和高压计量装置的接线比较多，容易造成错误接线，而又不易被察觉，（尤其是差动保护的复杂接线，有时高低侧同时引入，又存在不同的联结组别，极易接错，而在平时运行中又可能不会误动或拒动，存在很大的隐患）。武汉华亿通电气有限公司根据现场测试需要，适时开发出SL型矢量分析仪。它集多功能于一身，即可做相位仪校验主变差动保护和母线差动的正确性，又可作为电参量测试仪测试电力系统必要的参数，还可用做三相三线电能计量接线检测仪器。采用dsp交流采样，可同时测量3路电压和6路电流模拟量，仪器首创9通道矢量同屏显示，人机对话界面友好，使用简便，大大方便了现场使用，是电力工作者的得力助手。
一、功能特点 1、大容量锂电池供电，连续工作长达4小时。 2、3路电压，6路电流矢量同屏显示，国内首创。 3、集保护矢量分析；相位伏安测试；电能计量接线矢量分析多种仪器于 一身。 4、大屏幕、高亮度的液晶显示，全汉字菜单及操作提示实现友好的人机 对话，触摸按键使操作更简便，宽温液晶带亮度调节，可适应冬夏各季。 5、用户可随时将测试的数据通过微型打印机将结果打印出来。 6、体积小重量轻：283×218×128，2kg 7、预留双USB接口，可外接优盘等移动存储设备。 二、技术指标 1、输入特性 电压测量范围：0~450V。 电流测量范围：0~6A。 2、准确度 电压、电流、频率：±0.2% 功率：±0.5% 3、工作温度：－15℃~ +40℃ 4、充电电源：交流160V~260V 5、绝缘：⑴、电压、电流输入端对机壳的绝缘电阻≥100M?。 ⑵、工作电源输入端对外壳之间承受工频2KV（有效值），历时1 分钟实验。 6、体积：32cm×28cm×13cm 7、重量：2Kg
低频数字式相位测量仪
低频数字式相位测量仪（C 题） 一、任务 设计并制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分，示意图如下： 二、要求 1、基本要求 （1）设计并制作一个相位测量仪（参见图1） a ．频率范围：20Hz ～20kHz 。 b ．相位测量仪的输入阻抗≥100k 。 c ．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V ～5V 范围内变化。 d ．相位测量绝对误差≤2°。 e ．具有频率测量及数字显示功能。 f ． 相位差数字显示：相位读数为0o ~359.9o ，分辨力为0.1°。 （2）参考图2制作一个移相网络 a ．输入信号频率：100Hz 、1kHz 、10kHz 。 b ．连续相移范围：－45°～＋45°。 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。 2．发挥部分 （1）设计并制作一个数字式移相信号发生器（图3），用以产生相位测量仪所需的输入 图3 数字式移相信号发生器 图1 相位测量仪
正弦信号，要求： a．频率范围：20Hz～20kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。 b．A、B输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。 c．相位差范围为0～359°，相位差步进为1°，相位差值可预置。 d．数字显示预置的频率、相位差值。 （2）在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输入正弦电压峰-峰值至0.3V～5V范围。 （3）用数字移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位差值和不同幅度进行校验。 （4）其它。 三、评分标准 四、说明 1、移相网络的器件和元件参数自行选择，也可以自行设计不同于图2的移相网络。 2、基本要求（2）项中，当输入信号频率不同时，允许切换移相网络中的元件。 3、相位测量仪和数字移相信号发生器互相独立，不允许共用控制与显示电路。
数字式相位差测量仪
专业方向课程设计报告 课题名称：数字式相位差测试仪姓名： 学号： 班级： 专业： 归口系部： 起迄日期: 指导教师: 提交报告日期: 2015年12月18日
数字式相位差测试仪 目录 一、设计任务和目的 _________________________________ - 1 - （一）设计任务 ___________________________________ - 1 - （二）设计目的 ___________________________________ - 1 - 二、设计要求 ________________________________________ - 1 - 三、工作原理 _______________________________________ - 1 - 四、设计框图 _______________________________________ - 2 - 五、主要参考器件（软件仿真，用Proteus） ____________ - 2 - 六、各模块电路分析 _________________________________ - 3 - （一）移相电路部分_______________________________ - 3 - （二）放大整形电路部分___________________________ - 3 - （三）锁相倍频电路部分___________________________ - 4 - （四）计数器及数字显示部分_______________________ - 5 - （五）相位超前于滞后显示部分_____________________ - 6 - 六、仿真___________________________________________ - 7 - 七、心得体会 _______________________________________ - 8 - 八、参考文献 _______________________________________ - 8 - 附：数字式相位差总电路图_____________________________ - 9 -
数字电容测试仪
数字式电容测量仪的设计 一、总体方案的选择 数字式电容测量仪的设计可以有占空比可调的方波发生器产生基准方波信号，频率为10KHz，再通过555定时器构成单稳态电路。通过计数器计数显示电路显示当前电容容量。所设计的电容测量范围（1uF~999uF）。误差2%左右。 1.拟定系统方案框图 （1）方案一：纯硬件电路 图1纯硬件构成系统框图 （2）方案二：运用单片机程序编程设计电路 图2含单片机程序设计电路 2．方案的分析和比较 基于方案一较方案2只用到简单硬件，不需要编程，且大部分设计知识已经掌握，所需的有设计到出图的时间比较少。所以选择方案一，简单，易行，节省时间。 二、单元电路的设计 1.时基电路 时基电路是由占空比可调的555定时器构成的多谐振荡器，其基本工作原理如下：由于电路中二极管D1，D2的单向导电性，使电容器的充放电分开，改变电阻大小，就可调节多谐振荡器的占空比。图中Vcc通过R4、D2向电容C3充电，充电时间为 t ph 0.7R 4 C3 式（1）方 波 发 生 电 路与 门 电 路 计 数 电 路 译 码 显 示 电 路 单 稳 态 电 路
电容器 C3通过D1，R5及555中的三极管T 放电，放电时间为 t pl ≈0.7R 5C 式（2） 因而，振荡频率为 3 )54(43 .11C R R t t f pl ph +≈+= 式（3） 电路输出的占空比为 %1005 44 (%)?+= R R R q 式（4） VCC 5V A2 555_VIRTUAL GND DIS OUT RST VCC THR CON TRI R43.2kΩ R510kΩ D11BH62 D21BH62 C30.01μF C4 0.01μF 图3占空比可调的方波发生器 图4方波发生器的工作波形 本次试验需要产生8.9KHz 的频率，通过公式计算R4=3.2K Ω,R5=10K Ω,C3=0.01uf 此时f=10.8KHz,通过模拟产生的基准频率为8.9KHz,满足误差要求。 用555定时器构成的单稳态触发器如图5所示。
低频数字式相位测量仪(余蜜)
电子测量原理 低频数字式相位测量仪 班级:电子信息工程 姓名：何静峰 学号:20１140751５8 日期:2０１４年4月15日
系统方案 １ 相位测量仪方案 方案一：单周波计数法。将有相位差的两路方波信号进行”异或”后作为闸门，在高电平时，利用外部高频信号进行计数，在下降沿将数据读出,低电平时对计数器清零。设晶振频率为f c ，测得信号的频率为f r ，计数值为N ，则相位差ｐh ａs ｅ为 o c r N f f phase 180??= 方案二：定时间计数。将高频时钟信号和两路信号异或得到的信号进行“与”，在设定时间s 内利用其上跳变沿计数，设高频时钟频率为f ｃ,计数值为N,则 o c sf N phase 180?= 方案三：多周期同步计数法。设被测信号的频率为f,则将一被测信号进行ｆ1倍（f 取整）分频，则在f 1周期内(保证测量时间在1ｓ左右)，被测信号异或与参考高频信号相与的信号sin ｇal1的计数为Ｎ1,同时期参考高频信号的计数为Ｎ,则 o N N phase 1801?= 以上三种方案都可以采用一个D 触发器将相位测量的相位扩展到o 0-o 360。方案一需高速时钟,按题目要求,在20kHz 信号时的相位差分辨率为0．1ｏ，则要求时钟最少为７2ＭＨz ，实现困难。而方案二测量时间段一定，存在遗漏0~1个周波的情况，从而引入较大的误差。方案三的读数与异或得到的信号同步,不存在遗漏问题，误差很小,故采用此方案。 2 移相信号发生器
⑴频率合成器方案 方案一：采用函数发生器8０3８。可以同时产生正弦波、三角波、方波，频率可由调制电压控制，但此方案难以实现相移,而且输出频率不稳定。 方案二:采用直接数字频率合成(DDＦS)方案。用存储器存储所须的波形量化数据，采用不同时钟频率的地址计数器，根据计数值读出存储器中的量化数据，再经Ｄ/A转换后滤波整形输出。此方案可以很好地控制两路波形的相位差以及频率。 经上述比较，我们采用方案二。 ⑵幅度控制 方案一:利用可调电位器手动调节电压幅值。 方案二：通过控制D/A的参考电压控制输出波形的幅度。参考电压可通过对另一Ｄ／A置数从而输出不同电压，进而控制输出波形的幅度。 方案二可以预置幅值，并且比较精确,方便操作,故选方案二。 经上面方案论证，我们采用如下的系统方案： 设计技术指标 (1)相位测量仪 a．频率范围：2０Hz～2０ｋHz。
数字相位差测量仪的设计
目录 1.设计任务书。 2.设计方案概述。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理。 4.电路的组成及参数选择。 4.1整形电路及信号C的形成。 4.2滤波电路的参任务计划书。 4.3V/f变换电路的设计。 4.4 89C52内部资源的利用。 5.应用实例。 6.结论。 7.总结。 一、设计任务书 （一）任务 设计仿真一数字相位计 （二）主要技术指标与要求： （1）输入信号频率为0HZ～250HZ可调 （2）输入信号的幅度为0.5V （3）采用数码管显示结果，相位精确到0.1° （4）采用外部5V直流电源供电 （三）对课程设计的成果的要求（包括图表） 设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书。要求图纸布局合理，符合工程要求，所有的器件的选择要有计算依据。 二、设计方案概述 根椐设计任务书的要求，我们参考了一些相关资料书，经过小组的讨论分析，提出了一种用v/f变换测量交流电的相位差的新方法：首先产生出其幅度正比与相位差大小的直流电，再有v/f变换器转换成反映相位差大小的频率信号，在单片机的配合下，最终得到相位差。这种方法具有分辨率高，适应与大范围的各种输入频率等优点。 正弦交流电电信号相位差的测量可以用多种方法实现。比较直接的数字式测量方法是在已知信号周期的前提下用定时的方法测得相位差角对应的时间，然后根据已知的周期将其换算成相位差角度。但
是，这种方法的测量精度依赖于定时器的精度和分辨率。在信号频率较高或频率虽不高但相位差较小时，都可以出现较大的误差。另外，由于直接测量得到的是时间，相位差角要由这一中间结果与信号的周期运算后才能得到，所以周期的测量不可缺少，其测量的精度也将影响相位差的精度。 在此用一种新的思路进行相位差的测量，用v/f变换器把相位差转换成一个其频率与之成正比的脉冲列，通过计算在一定时间内的脉冲个数测量相位差角。这种测量方法与信号的周期无关，可以得到较高的精度。题达到了0.1的测量精度，与此同时工业运行控制中现场操作，修改和设置等问题也得到了很好的解决，以上这些都在工业运行中得到了厂方的认可。存在的问题主要是本仪器通用性很不强，很难在更大的范围应用和推广，只能运用与某些特定的企业。今后的工作主要硬件和软件的改进上，列入增加一些通用行很强的功能模块。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理 首先将输入的两个同频率但存在着相位差的信号进行整形，使之变成方波。如图1示A和B 再对A,B进行异或处理, 异或输出信号C 的脉冲宽度则反映相位差角.C 的脉宽T1对应的电角度是相位差角,C 的周期T2 是信号周期T 的1/2.如果信号角频率为w 则T1= /w. C为幅值为U 的方波其平均值Ud=UT1/T2=U 由此可见,C 的平均值( 亦即直流分量)仅与相位差角和脉冲幅 度有关与信号周期无关
数字电路课程设计报告_简易数字电容测试仪(原创)
数电课程设计报告 题目简易数字式电容测试仪 简易数字电容C测量仪 前言 电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。与电阻器相似，通常简称其为电容，用字母C表示。顾名思义，电容器就是“储存电荷的容器”。尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。两片相距很近的金属中间被某物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。 不同的电容器储存电荷的能力也不相同。规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。电容的基本单位为法拉（F）。但实际上，法拉是一个很不常用的单位，因为电容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法（μF）、纳法（nF）、皮法（pF）（皮法又称微微法）等，它们的关系是：1法拉（F）= 1000000微法（μF）1微法（μF）= 1000纳法（nF）= 1000000皮法（pF）。 电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有重要的影响，本课题就是用数字显示方式对电容进行测量。 本设计报告共分三章。第一章介绍系统设计；第二章介绍主要电路及其分析；第三章为总结部分。 摘要：由于单稳态触发器的输出脉宽t 与电容C成正比，把电容C转换成宽度为t W的矩 W 形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计标准频率脉冲的个数，并送锁存--译码--显示系统就可以得到电容量的数据。 关键词：闸门信号标准频率脉冲
目录 第一章系统设计 (2) 一、设计目的 (2) 二、设计内容要求 (2) 三、设计技术指标 (2) 四、方案比较 (2) 五、方案论证 (3) 1、总体思路 (3) 2、设计方案 (3) 第二章主要电路设计与说明 (4) 一、芯片简介 (4) 1、555定时器 (4) 2、单稳态触发器74121 (4) 3、4位二进制加法计数器47161 (5) 4、4位集成寄存器74 LSl75芯片 (6) 5、七段译码器74LS47-BCD 芯片 (7) 二、总电路图及分析 (7) 1、总图 (7) 2、参数选择及仪表调试 (9) 3、产品使用说明 (9) 4、以测待测电容Cx的电容量为例说明电路工作过程及测容原理 (9) 三、各单元电路的设计与分析 (9) 1、基准脉冲发生器 (9) 2、启动脉冲发生器 (10) 3、Cx转化为Tw宽度的矩形脉冲 (10) 4、计数器 (10) 5、寄存—译码—显示系统 (10) 第三章总结 (11) 参考文献 (11) 附录 (11) 附录1 元器件清单 (11) 附录2 用集成元件代分立元件电路 (12) 评语 (13)
数字式相位差测量仪
《电子技术》课程设计报告课题：数字式相位差测量仪 班级电气1112 学号 1111205423 学生姓名孟雷 专业电气工程及其自动化 院系电气学院电子系 指导教师专业方向课程设计指导小组 淮阴工学院 电子信息工程系 2014年12月
一、设计目的与任务 《电子信息工程专业方向》课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在完成本专业所有课程学习后必须接受的一项结合本专业方向的、系统的、综合的工程训练。在教师指导下，运用工程的方法，通过一个较复杂课题的设计练习，可使学生通过综合的系统设计，熟悉设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，掌握必须提交的各项工程文件。其基本目的是：培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用电路设计和有关先修课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固，加深和扩展有关电子类方面的知识。 通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养： (1)独立工作能力和创造力； (2)综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力； (3)查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力； (4)工程绘图的能力； (5)编写技术报告和编制技术资料的能力。 二、设计要求 1、被测信号为正弦波(或者是方波)，频率为40~60Hz，幅度大于等于0.5V；相位测量精度为1度；用数码管显示测量结果。 2、主要单元电路和元器件参数计算、选择； 3、画出总体电路图； 4、提交格式上符合要求、内容完整的设计报告
三、总体设计 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的相位差。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,这需要精确测量两列工频信号的相位差。相位测量的方法很多,典型的传统方法是通过显示器观测,这种方法误差较大,读数不方便。为此,我们设计一种数字式相位差测量仪,该仪以可编程逻辑器件(PLD) 和锁相环(PLL) 倍频电路为核心,实现了两列信号相位差的自动测量及数显。 相位差测量仪的原理框图(以分辨率为1°为例)如图1 所示。基准信号(相位基准) f R 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N = 360 的分频器,使锁相环的输出信号频率为360f R ,但相位与f R 相同,这个输出信号被用作计数器的计数时
高精度相位测量仪的介绍及测量
高精度相位测量仪的介绍及测量 相位介绍 相位是与电路结构有关的参数。 相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。比如正弦交流电流，它的公式是i=Isin2πft。i是交流电流的瞬时值，I是交流电流的最大值，f是交流电的频率，t是时间。随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零。 相位(phase)是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。是描述讯号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，也称作相角。当讯号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360° 。常应用在科学领域，如数学、物理学等 相位调整 相位调整是指在有些超低音音箱上加装的一个控制机构。用于对超低音音箱所重放出的声音稍许加以延迟，从而让超低音音箱的输出能够和前置主音箱同相位，即具有相同的时间关系。 相位噪声 相位噪声是频率域的概念，是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。 如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。 相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。 相位差 两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。
数字电容测量仪 课程设计
数字电子技术课程设计报告书 课题名称 数字电容测量仪的设计 姓 名 吴亚香 学 号 1212501-35 学 院 通信与电子工程学院 专 业 电子科学与技术 指导教师 张学军 2014年 6月 10 日 ※※※※※※※※ ※ ※※ ※※ ※ ※ ※※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ 2012级电子科学与技术专业 数字电子技术课程设计
数字电容测量仪的设计 1设计目的 （1）掌握multisim12仿真软件的应用技巧。 （2）掌握电容数字测量仪的设计组装与调试方法。 （3）熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理。 2设计思路 本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲也就是标准频率。同时把待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比。把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数—译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋钮控制量程的选择。用计数器控制电路控制总量程。。 3设计过程 3.1设计框图 图1 数字电容测量仪原理图 3.2多谐振荡器电路的设计 振荡器是数字电容测量仪的核心，振荡器的稳定度以及其所产生的基准频率的稳定度决定了数字电容测量仪的准确度，通常选用石英晶振构成振荡电路。在要求不高的情况下可以选用555构成的多谐振荡器如果图2所示。
555组成多谐振荡器的工作原理如下： 接通电源Vcc后，Vcc经电阻R 1和R 2 对电容C充电，其电压U C 由0按指数 规律上升。当U C ≥2/3V CC 时，电压比较器C 1 和C 2 的输出分别为U C1 =0、U C2 =1，基 本RS触发器被置0，Q=0、Q’=1,输出U 0跃到低点平U oL 。与此同时，放电管V 导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。随着电容C放电， Uc下降到Uc≤1/3Vcc时，则电压比较器C 1和C 2 的输出为U c1 =1、U c2 =0，基本RS 触 发器被置1，Q=1，Q’=0，输出U 0由低点平U oL 跃到高电平Uo H 。同时，因Q’=0， 放电管V截止，电源Vcc又经过电阻R 1和R 2 对电容C充电。电路又返回前一个 暂稳态。因此，电容C上的电压Uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲，作为基准信号频率。555组成多谐振荡器输出波形如图3。 VCC 图2 555组成多谐振荡器
低频数字式相位测试仪—开题报告
低频数字式相位测试仪的研究 一、设计背景和意义： 相位测量技术的应用已深入到许多领域，广泛应用于国防、科研、学校和厂矿，传统相位测量使用的是指针式仪表，但随着电子技术的发展，数字显示相位仪不断涌现。利用了51单片机的高速硬件捕获功能来实现频率和相位的测量;并利用A/D转换器对数据进行进一步的处理，在高低频段分别采用多次测量、滤波算法、矢量分解、便宜修正等算法消除干扰提高精度，采用大屏幕液晶显示测量详细信息;利用AVRmega8515配合16.384MHZ的高速晶振，采用软件DDFS实现双路数字式移相信号发生器，使用优化算法是当今科技发展对低频数字式相位测量仪的新要求。 二、设计的主要内容以及具体要求： 2.1设计的主要内容 低频数字是相位测量仪实际需要设计和制作的三个独立的部分：（1）数字相位测量仪；（2）数字式移相信号发生器；（3）移相网络。本系统由两块独立的CPU组成。 本系统以51单片机以及可编程逻辑器件为核心，由模拟移相网络、数字式相位测量仪（含测频功能）、数字式移相位测量仪的核心为数字鉴相器及高速计数器，频率计采用高精度恒定误差测频法。信号发生器使用直接数字频率合成（DDFS）技术，并使用汉字液晶显示模块，操作界面友好。系统的测量精度及其它指标均达到了设计要求。 2.2设计的具体要求 （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≤。 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～，分辨力为。 （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，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。 三、设计的实现方案： 方案论证 数字移相技术的核心是：先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。移相方案主要有以下几种。 方案一：利用D/A转换实现相移
数字电容测量仪-课程设计
电气与自动化工程学院课程设计评分表 课程设计题目： 班级：学号：姓名： 指导老师： 年月日
课程设计答辩记录 学院专业班级答辩人课程设计题目 说明：主要记录答辩时所提的问题及答辩人对所提问题的回答
常熟理工学院电气与自动化工程学院 课程设计说明书 课程名称：电子技术课程设计 设计题目：电容测量仪_____________ 班级：ZB62161 姓名：吴彬 学号：ZB6216123 指导老师：施健 设计时间：2017-1-11
目录 一．设计目的 (1) 二．设计思路 (1) 三．设计框图 (1) （1）设计过程 (1) （2）多谐振荡器的设计 (2) （3）单稳态触发器电路的设计 (2) （4）计数电路的设计 (3) 四．整体电路设计 (4) 五．系统调试 (5) 六．仿真结果 (5) 七．设计心得 (6) 八．参考文献 (7)
数字电容测量仪的设计 一．设计目的 （1）了解常用数字集成电路的使用。 （2）了解电容测量仪的工作原理。 （3）掌握利用数字式集成电路设计电容测量仪的原理和Multisim调试的方法。 二．设计思路 本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲也就是标准频率。同时把待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比。把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数—译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋钮控制量程的选择。用计数器控制电路控制总量程。 三．设计框图 图1 数字电容测量仪原理图 四．设计过程 （1）多谐振荡器电路的设计 振荡器是数字电容测量仪的核心，振荡器的稳定性以及其所产生的基准频率的稳定性决定了数字电容测量仪的精确度。在要求不高的情况下可以选用555构成的多谐振荡器如果图2所示。 555组成多谐振荡器的工作原理如下：
数字式相位差测量仪
一、设计目的与任务 《电子信息工程专业方向》课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在完成本专业所有课程学习后必须接受的一项结合本专业方向的、系统的、综合的工程训练。在教师指导下，运用工程的方法，通过一个较复杂课题的设计练习，可使学生通过综合的系统设计，熟悉设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，掌握必须提交的各项工程文件。其基本目的是：培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用电路设计和有关先修课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固，加深和扩展有关电子类方面的知识。 通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养： (1)独立工作能力和创造力； (2)综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力； (3)查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力； (4)工程绘图的能力； (5)编写技术报告和编制技术资料的能力。 二、技术指标与要求 1、被测信号为正弦波(或者是方波)，频率为40~60Hz，幅度大于等于0.5V；相位测量精度为1度；用数码管显示测量结果。 2、主要单元电路和元器件参数计算、选择； 3、画出总体电路图； 4、提交格式上符合要求、内容完整的设计报告 三、工作原理
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的相位差。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,这需要精确测量两列工频信号的相位差。相位测量的方法很多,典型的传统方法是通过显示器观测,这种方法误差较大,读数不方便。为此,我们设计一种数字式相位差测量仪,该仪以可编程逻辑器件(PLD) 和锁相环(PLL) 倍频电路为核心,实现了两列信号相位差的自动测量及数显。 相位差测量仪的原理框图(以分辨率为1°为例)如图1 所示。基准信号(相位基准) f R 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N = 360 的分频器,使锁相环的输出信号频率为360f R ,但相位与f R 相同,这个输出信号被用作计数器的计数时钟。被测信号f S 经放大整形再2 分频后得到的f S/ 2与f R/ 2 送入由异或门组成的相位比较电路,其输出脉冲A 的脉宽tp 反映了两列信号的相位差;利用这个信号作为计数器的闸门控制信号使计数器仅在f R 与f S的相位差tp 内计数,这样计数器计得的数即为f R 与f S 之间的相位差。于计数时钟频率为360f R ,因此,一个计数脉冲对应1°。计数的值经锁存译码后通过LED 数码管显示。这种测量方法可以从波形图图2 得到理解和说明。图中D 触发器用于判断f R 与f S 的相位关系,当Q 为1 时, f R 超前于f S ,相位取正值,符号位数码管显示全黑; 当Q 为0 时, f R 滞后于f S ,相位取负值,符号位数码管显示“ - ”。
数字相位测量仪
电子设计竞赛报告 电子设计竞赛报告 题目: 数字相位测量仪设计报告 院系名称：电气工程学院专业班级：电气F1104班学生姓名：陈x超学号： 指导教师：教师职称：副教授 评语及成绩： 指导教师： 日期：
摘要 本设计提出了一种基于c8051f020单片机开发的低频数字相位测量仪的方案。主要包括相位测量模块、单片机最小系统、显示模块的设计。可以对低频率范围的信号进行相位等参数的精确测量，测相绝对误差不大于1°。相位测量模块采用对输入的两路信号（同频率、不同相位）通过比较器整形、鉴相器异或之后得到的相位差，输入到单片机的中断口进行数据采集处理；采用数码管显示被测信号的相位差。硬件结构简单，软件采用汇编语言实现，程序简单可读写性强、效率高。与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。 关键词相位差单片机比较器整形数码管
目录
1.方案设计 1.1设计方案论证 从功能角度来看，相位测量仪要完成信号相位差的测量。相位测量仪有两路输入信号，也是被测信号，他们是两个同频率的正弦信号，频率范围为20Hz~20KHz （正好是音频范围），幅度为U PP =1~5V ，但两者幅度不一定相等。 相位和相位差的概念[4]： 令正弦信号为： ()()0sin ?ω+=t A t A m （2.1） 2.1式中Am 称为幅值（最大值），且A A m 2=，A 称为有效值；()0 ?ωθ+=t t 称为相位，0?称为初相位，ω称为角频率。Am 、ω、0?称为正弦量的三要素。 只有两个同频率的（正弦）信号才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正 弦信号为： ()()()() 02220111sin sin ?ω?ω+=+=t A t A t A t A m m （2.2） 则相位差： ()()02010201???ω?ωθ-=+-+=t t （2.3） 由2.3式中可看出，相位差在数值上等于初相位之差，θ是一个角度 不妨令θωθT =，其中θT 是相位差θ对应的时间差，且令T 为信号周期，则有比例关系： θθ:360:T T = （2.4） 可以推导得到： ()360/?=T T θθ （2.5） 式子2.5中可以说明，相位差θ与θT 一一对应，可以通过测量时间差θT 及信号周期T ，计算得到相位差θ，这就是相位差的基本测量原理。 由于相位差的基本测量原理可知，相位差的测量本质上是时间差θT 及信号周期T 的测量，也就是时间的测量，而时间的测量不可避免地要用到电子计数器。 时间的测量有多种方法，而设计题目关于相位测量仪的技术指标要求会影响到我们对方案的选择，MCU 应用系统一般能较好的实现各种不同的测量及控制功能，往往还能满足一些设计要求比较高的技术指标，因此，我们在进行电子系统设计时，可用MCU 实现系统功能，完成系统指标。