工频数字式相位测量系统(同舟杯)

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1、 同 舟 杯 2010 电 子 设 计 竞 赛- 1 -工频数字式相位测量系统工频数字式相位测量系统作者：杜尧作者：杜尧 赖永生赖永生 王海鹏王海鹏 （轮机工程学院）（轮机工程学院）摘要摘要 本工频数字式相位测量系统包含数字式相位测量仪、数字式移相信号发生器，比较器整波 电路。 本系统以 51 单片机为核心，由比较器整波电路、数字式相位测量仪（含测频功能） 、数字 式移相信号发生器三个独立模块组成。相位测量仪的核心为单片机定时器模块。信号发生 器使用题中推荐电路，产生两个同频并可调相位差的电路。系统的测量精度及其他指标均 达到了设计要求。 1、方案论证 .数字式相位测量仪采用单片机实现数字相位

2、测量。将两路输入信号分别通过过零比较，然后通过异或电路 得到一个时间间隔为相位差的正脉冲，并且利用此脉冲开启和关闭定时器，通过读取定时 器即可计算得到相位差。该方案采用外部器件少，电路简单。 1.移相网络模拟移相，有 R、C 组成移相网络进行移相。移相网络的基本单元电路如图。通过调整 电位器，可以得到-90 度至+90 度任意移相角度。2.整波电路U1,U2 两同频率、相位差 X 的两个被测正弦信号，经过过零比较，变成两个方波，再进 过异或鉴相电路输出周期为 T，宽度为 T1 的方波。同 舟 杯 2010 电 子 设 计 竞 赛- 2 -.3、单片机系统及显示系统此系统的原理是通过定时器记录下

3、经异或电路后的正脉冲的高电平时间，即相位差时间， 通过一定的计算，得出相位差角度。2、方案细化1.在移相电路：在移相电路中，在实际试验中发现去除 R3 后效果更好，相位差的调节范围加大。同 舟 杯 2010 电 子 设 计 竞 赛- 3 -2.整波电路：采用过零比较为主的电路将两个正弦波转为方波，再通过异或电路将二者的相位差通过 一个正脉冲的时间差来表达。同 舟 杯 2010 电 子 设 计 竞 赛- 4 -3.单片机系统及显示单片机通过使用 INT0（P3.2）来接受正脉冲，并且将定时器 T0 设置为 TMOD=0X09.即 在 TR0=1，INT0=1 时，定时器开启；二者之一为零，即关闭

4、。然后通过记录下的脉冲数 来计算出相位差的时间间隔 T，通过计算公式，即：T/0.02*360=角度 angle。将 angle 通过计算公式分割成个十百位，分别输入锁存器，再输入数码管，显示出相应 的位，达到最终的目的。部分计算及定义： EA=1;/开总中断 TMOD=0x09;/t0 方式一,受 int0,gate=1,tr0=1,int0=1,允许计数,int0=0，关闭 P3=0x00; TR0=1; /TH0=0;m=TH0*256+TL0; count=m*27/1000; n2=count/100;/百位数字 temp=count%100; n1=temp/10;/十位数字 n0

5、=temp%10;/个位数字wela=1;/联通位选锁存器 P1=0xfe;/控制第一个亮，低电平 wela=0;/关，以保持住 0xfe dula=1;/开段选，P0 和锁存器通 P0=tablen2;/把 p0 赋值，num 对应的二进制值，显示百位 dula=0; delay(300);同 舟 杯 2010 电 子 设 计 竞 赛- 5 -3、理论误差分析1，在移相电路中，由于电容电阻的值存在误差，导致了相位差的调整范围并不如理想中 的大。2，在整波电路中，所作出的电路并不完全是标准的方波，有些类似梯形。3.，在单片机定时器工作过程中，由于在内部频率相比于所测波的频率足够高，所以在 an

6、gle 的个位上精确度完全可以满足。同 舟 杯 2010 电 子 设 计 竞 赛- 6 -为此，在仿真电路利用一个函数发生器改变频率的一组方波输入到单片机的 int0 口来计算 出一组频率对应的角度与显示的角度进行比较。方波频率/hz显示角度理论角度1008890200444530029304002222.5500171860014157001212.88001111.25900910100089由表中我们可以发现，由于计算公式m=TH0*256+TL0; count=m*27/1000; n2=count/100;/百位数字 temp=count%100; n1=temp/10;/十位数字

7、n0=temp%10;/个位数字 的各变量的定义的原因，这些数均为整数，就导致了小数点以后的误差。而且到了高频部 分，10khz 后，显示均为 0。因此，在此系统工作下，测量精度在小数点以后无法满足且小 于 1 度的无法显示。其次，由于晶振存在着实际频率与标称频率的误差，会导致定时时间与与计算时间的误 差，从而导致角度误差。在实际接入 5v，50hz 的交流电源后的检测中，由于当时 10k 电阻已无，只能使用 5k， 导致相位差调节范围只有 30 度以内。在示波器及数码管显示的比较中，证明其精度还是可 以满足要求。同 舟 杯 2010 电 子 设 计 竞 赛- 7 -同 舟 杯 2010 电

8、子 设 计 竞 赛- 8 -4、软件设计单片机程序采用 c 语言，在 keil uvision3 的环境下编译，并用 proteus 软件仿真调试。单片机程序采用 C 语言，在 Keil 环境下变异，用 PROTEU 仿真器调试。同 舟 杯 2010 电 子 设 计 竞 赛- 9 -5队员和实物图同 舟 杯 2010 电 子 设 计 竞 赛- 10 -6设计改进1。对于晶振引起的误差，可以采用与标称频率误差更小的晶振来降低误差。2。可以通过在内部计算程序中将角度扩大十倍来显示小数点后一位，来增加精度。7结束语、在同组三人的紧密团结、精诚合作下，小组终于顺利完成了设计任务，收获不小。这是 与大学三年的理论学习、平时的电子设计训练及老师的教导分不开的，通过这段时间训练 和比赛，我们除了增强了动手能力、加深了对理论知识的认识，还学到了许多大学课堂学 不到的知识。