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1、 摘 要随着数字电子技术的发展，由数字逻辑电路组成的控制系统逐渐成为现代检测技术中的主流，数字测量系统也在工业中越来越受到人们的重视。在实际工作中，常常需要测量两列频率相同的信号之间的相位差，来解决实践中出现的种种问题。例如，电力系统中电网合闸时，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之间的相位差。如果两列信号之间的相位差达不到相同，会出现很大的电网冲激电流，对供电系统产生巨大的破坏力，所以必须精确地测量出两列信号之间的相位差。相位差测量在现代化建设中一直扮演着重要的角色，而且越来越重要。现在，如何提高相位测量的准确度、精度成为新的课题，和追逐的焦点。伴随着数字时代的到
2、来，也给测量技术带来了新的机遇，各种传统的测量方法逐渐被数字仪器取代，对于相位差测量，数字化也是必然趋势。数字式仪器采用数码管显示相位差，精确度高，稳定性能好，读数方便且不需要经常调试，所以数字式测量仪逐渐替代了原来的模拟式仪器。关键词 ： 单片机； 相位差； LEDAbstractWith the development of the digital electronic technology, the control system composed of digital logical circuits gradually becomes the mainstream in the mod
3、ern detection technology,the digital measuring system is also paid to more and more attention by people in industries. In the practical work, we often need to survey the phase difference which is between the two signals of the same frequency, for solving all sorts of problems which appear in the pra
4、ctice. For example, in the electrical power system when the electrical network switch , requiring two electrical networks electrical signals phase to be the same, now we need for the accurate measurement of the phase differences between the two frequency signals . If two row signals phase difference
5、s cannot keep the same, which will led to a big impulse current in the electrical network, whats more led to a huge destructive power to the power supply system therefore the phase differences must be accurately measured between the two signals . The phase difference measurement is continuously acti
6、ng the important role in the modernization, even becomes more and more important. Now, how to enhance the accuracy and the precision of the phase difference measurement becomes the new task and the focus which is pursued. With the digital Ages arrival, it brings the measuring technology a new opport
7、unity, all traditional measuring technique are gradually replaced by the digital instruments, regarding the phase difference measurement, the digitization is also the inevitable trend. The digital instrument uses the Light Emitting Diode to demonstrate in phase difference, the precision is high, the
8、 stable performance is good, the reading is convenient and it does not need to be debugged frequently, therefore the digital measuring instrument has replaced the original simulation type instrument gradually. Key words ： single chip computer；phase difference measurement；LEDI 目 录摘 要I绪 论1第1章 系统硬件设计41
9、.1 方案选择41.2 各单元模块功能及电路设计81.3 各单元模块的联接14第2章 系统软件设计152.1 软件设计原理及设计所用工具152.2 软件设计的总体结构172.3 主要模块的设计流程框图18第3章 系统仿真203.1 Proteus软件仿真203.2 硬件调试23第4章 系统稳定性设计254.1测量分析254.2 理论误差分析254.3 改进措施25第5章 展 望26致 谢27参考文献28附 录29附录1：系统的电路原理图29附录2：PCB图30附录3：频率仿真图31附录4：相位仿真图32附录5：元件清单33附录6：程序代码34 绪 论1. 本设计的意义众所周知相位是交变信号的三
10、要素之一，而相位差则是研究两个相同频率交流信号之间关系的重要参数。相位差的测量是电气测量的一项基本内容，其含义为测量两个同频率周期信号的相位差值。例如某一电路系统输入信号与输出信号之间的相位差，三相交流电两个相电压或两个线电压之间的相位差，相电压与相电流之间的相位差等。又如，在自动控制理论中，系统的相频特性为在不同频率正弦信号作用下，系统的输出信号与输入信号之间的相位和频率的函数关系。此外，同频率正弦信号的相位差测量在工业自动化、智能控制及通讯电子等许多领域都有着广泛的应用。如电工领域中的电机功角测试，介质材料损耗角的确定等等。因此相位差的测量是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。2. 国内
11、相位差测量研究现状概述传统的测量方法很多，有示波器测量法，将相位差转化为时间间隔法，电压测量法，零示法等。通常的测量方法是对两个输入信号进行调理，应用过零检测的方法使其变换成两个方波。然后对这两个方波进行比较得到鉴相脉冲即相位差脉宽再由鉴相脉冲来控制计数器的开停即用高频时钟脉冲去填充两个信号的相位差，从而实现相位差的测量。计数电路计数是以时钟信号的上升沿为触发信号的，所以由这种方法测得 内的时钟脉冲个数N，仅仅反映了内所包含的时钟脉冲上升沿的个数，N x Tclk也就无法准确的反映鉴相脉宽Z。这是由计数方法本身所带来的误差在相位差测量中是无法避免的。当相位差脉宽远远大于用于计数的高频时钟脉冲周
12、期时，这个误差完全可以忽略不计。在实际的测量电路中由于受限于电子元器件物理特性的影响，前端的信号调理电路和过零检测电路势必会带来方波信号相对于输入信号过零点的偏移所以得到的方波信号的相位实际上是原始输入信号的相位和调理电路及过零检测电路导致相位差的综合相位。这些都是相位差测量中不得不考虑的误差。在测量精度要求比较高尤其相位差相对比较小时，我们都必须提高计数标准时钟脉冲的频率，即填充脉冲的频率。这就增加了设计本身的难度也提高了选用元器件的要求。而在传统的测量方法中，当相位差的脉冲宽度小于计数脉冲宽度时，相位差更是无法测量。因此，我们必须设计出一种新的测量方法来实现更高精度相位差的测量。本次设计是
13、以AT89C51单片机为控制核心的频率及相位测试仪。本次设计可完成对信号频率的频率测量和相位差测量。要求测量频率的范围为20Hz到20KHz，相位的范围为0到360。可通过按键实现测频或测相，用LED数码管直接显示读数，显示清晰直观。误差小，稳定性高。3. 相位计的作用相位的测量通常是指两个同频率信号之间相位差的测量。相位计是一种应用非常广泛的电子测量仪器。随着科学技术的发展，相位测量技术的应用已深入到许多领域和部门，如:电力部门、机械部门、航空航天、地质勘探、海底资源等。正确使用相位测量技术可以解决电气、电子及其它非电量测量的许多问题。例如:(1)测量网络的传输特性只要测出幅频特性及相频特性
14、，就可了解网络的全部传输特性。(2)测量谐振频率根据谐振时其相位为零特性即可求出其谐振频率。(3)测量时延特性通过测量被测网络的相位，可得到被测网络的相时延频率特性及群时延频率特性。(4)测量和校正伺服系统是自动控制的重要组成部分，因其电动机、解调器等都设计成响应于同相信号，故它需要经常测量信号的相位。(5)测量距离和方向在相位导航系统中，接收机同时接受两个基本点发射机传来的信号，每个信号的相位与发射机与接收机的距离成正比，故求得相位差即可确定飞机及船舰所处的位置。(6)测量厚度及金属探伤。(7)电压与电流间相位差及功率因数的测量等。由此可见，相位计和相位测量技术广泛用于农业生产、医疗、勘探、
15、电力、航空航天、地震预报、石油冶金等多种行业。4. 相位和相位差的概念 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=Isin2ft。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。在三角函数中2ft相当于角度，它反映了交流电任何时刻所处的状态，是在增大还是在减小，是正的还是负的等等。因此把2ft叫做相位，或者叫做相。 如果t等于零的时候，i并不等于零，公式应该改成i=Isin(2ft+)。那么2ft+叫做相位，叫做初相位，或者叫做初相。 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
