数字显示式相位差测量仪的设计方法

数字显示式相位差测量仪的设计方法
作者：黄冬梅梁荫
来源：《中国新技术新产品》2009年第04期
摘要：随着数字电子技术的不断发展，由数字逻辑电路组成的控制系统已逐渐成为现代检测技术中的主流，由于数字测量系统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代替了原来的模拟式仪器，被广泛应用各种实时控制系统之中。

关键词：相位差；检测；误差；单片机
数字显示式相位差测量仪是利用MAX7219外界微处理器实现数码显示。

当两列同频率信号经过整形电路比较电路后，输出两列方波，然后通过微处理器对其进行处理，计算出两列信号的相位差，再向显示控制器下达显示指令，产生使LED显示器显示数码的电平，达到利用数码管显示相位差的效果。

这里，采用单片机的计数功能对输入脉冲进行计数，使计数器仅在两信号的相位差期间计数。

其功能：先将计数器进行清零，接下来检测输入脉冲的上升沿，若上升沿到，则计数器开始工作，当下一个信号的上升沿到来时，计数器便停止计数，将计数器的结果送入锁存器进行锁存，再对计数器进行清零，这样，可以使计数器在下一次能正常工作。

该电路必须加计数锁存器，否则显示器上的数字会随计数器的状态变化而变化，所以要想稳定地显示测量结果，计数器的计数结果必须经锁存器锁存。

下图为其原理框图：
1 相位差测量的概念、方法和误差：
1．1相位差的概念：
振幅、频率和相位是描述正弦交流电的三要素。

以电压为例，设φ=ωt+φ0,称瞬时相位，它随时间改变，φ0即是t=0时刻的瞬时相位值。

两个角频率为ω1、ω2的正弦电压分别写为
，则其瞬时相位差θ=（ω1-ω2）t+(φ1-φ2),显然，两个角频率不相等的正弦电压（或电流）之间的瞬时相位差是时间t的函数，它随时间改变而改变。

当两正弦电压的角频率
ω1=ω2=ω时，则θ=φ1-φ2。

由此可知：两个频率相同的正弦量间的相位差是常数，并等于两正弦量的初相之差。

1．2 相位差的测量方法：
相位差测量方法很多，本方法需将两列信号转换成方波，通过微处理器计算得到相位差。

首先利用两列同频率输入信号与零电位相比较，反相输出各自的方波，然后将两列波形进行比较，形成脉冲通过微处理器，由其定时器检测到第一个脉冲的上升沿后进行定时计数，再进入等待输入程序，可随时监测下一个脉冲的上升沿。

CPU将两个脉冲的上升沿产生的时间差转化，利用程序设计计算出相位相差的度数，再调用显示子程序，并且通过数据传输向显示驱动器发出显示对应度数的数码管地址指令，完成显示相位差的全部过程。

1．3 误差分析：
信号通过前级电路时会产生信号衰减和单片机处理器在计数时也可能产生计数误差，这样就会导致测量时产生的误差。

单片机处理器的晶振为12MHz，则机器周期为1μS,当输入信号为50Hz,而一个周期为 ,由比例关系得： ,所以当信号从单片机处理器P1.0、P1.1口输入时，比例关系为,即单片机计数时产生误差为，满足所设计的要求。

2总电路的设计：
2．1电源部分：
+5V电源设计：始端电压经变压器处理后电压为15V,利用LM2576稳压器产生5V的电压。

正负15V电源设计：由于比较器中运放需工作电压为 V，可用变压器原220V交流电压降为15V交流电压，在此用D1～ D4进行单项桥式整流，再经C型滤波电路滤波，消除干扰，在三端固定式集成稳压器LM7815、LM7915的作用下，得到稳定的正、负电源。

2．2小信号放大电路和欠压指示电路：当输入信号低于10mV时，首先经过U2A增加电路的输入阻抗，减少输出阻抗，然后由反相比例放大器U3A，将信号放大。

在U3A中，Uin-输入电压,Uout-输出电压，K为增益，若选K=100,令R6=1KΩ，则R8=100 KΩ,保证输出电压达到饱和状态。

该放大器的输出电压经二极管、T型滤波电路的滤波，得正向电压加在U4A 的反相端，若电压高于同相端的电压时，其输出端将出现高电平，发光二极管中便有电流流过，发光做出欠电压指示。

2．3过压保护电路：若被测的输入电压信号超出20V电压，考虑到这个因素，电路中装入了过压保护装置。

当输入电压超出20V时，则其峰值电压为28.3V，应选择3个6.2V稳压管和1个9.1V稳压管，再加上二极管工作时的管压降0.7V,当UA达到3x6.2+9.1+0.7=28.4V
时，过压保护电路中的运算放大器U1A工作。

二极管D15中有电流通过，产生自锁，使输出电压为高电平15V，三极管Q1基极中有电流流过，使继电器J1、J2线圈得电，常闭开关动作断开，将电路与输入信号切断，其过压保护作用。

2．4整形电路：正弦输入信号加在电压与比较器U7A的反相端，将其同相端接地作为参考电压，这时运放处于开环工作状态，具有很高的开环增益，输出端输出的为反相方波。

如果输出电压高于运放工作电压15V时，运放将其限幅在工作电压内。

2．5单片机系统设计：
系统硬件设计：采用显示驱动器MAX7219作为显示的主要控制器件，使LED显示器以数字形式显示所测得的同频信号相位差。

这里MAX7219按5个控制寄存器规定的方式对待显示的数字自动扫描显示，所以在显示程序之前，必须初始化5个控制寄存器。

对于MAX7219的控制，采用了微型处理器控制技术，利用AT89C52对它进行操作。

将由比较器送来的信号经过CPU处理后，向MAX7219发出指令，LED显示器根据输出的电平，显示所测得的相位差。

所有LED显示器的同名端连接在一起并与7219的同名端引脚（SEG X）相连，各LED显示器的阴极分别与7219的相应字引脚（DIG X）相连。

先是数据串行输入7219，移位存入数字寄存器，片内多路扫描电路顺序扫描，随时选通各字，被选通字的引脚置为低电平，LED
发光显示数字，未被选通的字引脚就保持高电平。

系统软件设计：两路模拟信号经过稳压、保护电路、射随、放大、比较电路后，输出方波送到单片机。

单片机接到两电路方波信号后，通过对两路脉冲的计数比较后，测试出两列周期脉冲之间的差值。

通过计算，测试出相位差值，再经2-10进制的转换后，在LED上显示出来(编程略)。

软件设计应注意：对于LED的驱动电路MAX7219来说，首先应分析好它们的时序关系，也就是LOAD、DIN、CLK这三个信号的关系；对于单片机AT89C52，在完成其初始化之后，剩下的任务就是对在采集的数据进行处理，这是一个比较关键的任务。

2．6从仪器的整体性能上分析，可以达到下列各项指标：当两个工频信号的相位差为时，测量的精度为，当相位差超过时，测量精度为。

当频率达到1000Hz时，通过微型处理器，可把其带来的测量误差降到最低点，使仪器的适用范围增大。

利用数码管的显示功能，实现了五位显示，准确度可达98%～99%，减少了人为读数的误差，提高了测量的准确性，并且通过微型处理器的动态处理功能，当有外加信号输入时，会立即对其作出测量。

当输入信号超出20V时，由继电器动作，实现了对仪器的过压保护作用；当输入信号低于10mV时,由发光二极管提供欠压指示功能。

在输入撤销后，通过复位按键解除了继电器的动作，以备下一次测量能顺利完成。

考虑到输入可能低于10mV，可将信号输入的最低限降到2mV，这种情况下还能测出输入信号之间的相位差值。

测量仪的输入阻抗可达1MΩ,输入电容小于20pF,这样提高了测量仪器的精度对仪器起到了保护的作用，预防了意外输入的超大信号对仪器内部产生破坏性损害，使其能够长期工作在良好的状态。

结束语：本装置经制作、实际使用，具有可靠性强、精确度高等特点，特别适用于工业生产中。

本文总电路图略
参考文献
[1]童诗白.模拟电子技术基础（第2版）.北京：高等教育出版社，1998
[2]于志成编著.电子电路技术（第1版）.北京：机械工业出版社,1986
[3]张永瑞、刘振起、杨林耀、顾玉昆.电子测量技术基础.西安：西安电子科技大学出版社,1994
[4]张志良主编.单片机原理与控制技术.北京：机械工业出版社,2001
[5]徐仁贵主编.微型计算机接口技术及应用.北京：机械工业出版社,1999
[6]魏志源.电子技术.中央广播电视大学出版社
[7]吴项.电工与电子技术.北京：高等教育出版社,1990
作者简介：黄冬梅，女，硕士，从事电器控制的研究。

梁荫，女，本科，从事自动控制。