简易数字相位计2

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实验报告一 L、C元件上电流电压的相位关系

四川大学网络教育学院实验报告实验名称: 电工电子综合实践9001学习中心万州奥鹏中心姓名刘德春学号************实验内容:一、L、C元件上电流电压的相位关系二、虚拟一阶RC电路三、用数字电桥测交流参数.四、算术运算电路五、计数器六、触发器实验报告一L、C元件上电流电压的相位关系院校：四川大学电气信息学院专业：电气工程及其自动化实验人：刘德春，同组人：戴晓冬时间：2010年2月6日一、实验目的1、在正弦电压激励下研究L、C元件上电流，电压的大小和它们的相位关系，以及输入信号的频率对它们的影响。

2、学习示波器、函数发生器以及数字相位仪的使用二、仪器仪表目录1、交流电流表、交流电压表2、数字相位计三、实验线路、实验原理和操作步骤操作步骤：1、调节ZH-12实验台上的交流电源，使其输出交流电源电压值为220V。

2、按电路图接线，先自行检查接线是否正确，并经教师检查无误后通电3、用示波器观察电感两端电压u L和电阻两端u R的波形,由于电阻上电压与电流同相位，因此从观察相位的角度出发，电阻上电压的波形与电流的波形是相同的，而在数值上要除以“R”。

仔细调节示波器，观察屏幕上显示的波形，并将结果记录操作步骤：1、调节ZH-12实验台上的交流电源，使其输出交流电源电压值为24V。

2、按图电路图接线，先自行检查接线是否正确，并经教师检查无误后通电。

3、用示波器的观察电容两端电压u C和电阻两端电压u R的波形，（原理同上）。

仔细调节示波器，观察屏幕上显示的波形四、实验结果：1、在电感电路中，电感元件电流强度跟电压成正比，即I∝U.用1/（X L）作为比例恒量，写成等式，就得到I=U/（X L）这就是纯电感电路中欧姆定律的表达式。

电压超前电路90°。

分析：当交流电通过线圈时，在线圈中产生感应电动势。

根据电磁感应定律，感应电动势为die L dt=-（负号说明自感电动势的实际方向总是阻碍电流的变化）。

HG4181 型数字相位计简易说明书

HG4181型数字相位计简易说明书1．概述HG4181型智能数字相位计，是一种可测正弦波、方波、三角波三种波形的测相仪器，由于采用微处理器控制及自动换档，所以，本仪器在使用时具有最简单的操作。

2．技术要求2.1 量程：-180.00°～ +180.00°2.2 频率范围：10Hz ～ 250KHz2.3 相位测量误差：当被测两路同为正弦波信号失真低于0.17%且输入幅度有效值100Hz～50KHz为1V （不含50KHz）50KHz～100KHz为3V时，在基准条件下，不同频率的相位误差为： 100Hz～500Hz ±0.5°500Hz～5KHz ±0.1°±Φ/100 * 0.25°(当被测角度Φ≤1°时精度为 ±0.5°)5KHz～20KHz ±1°20KHz～100KHz ±1.2°2.4 影响误差(a) 温度附加误差：0.03°/℃(b)幅相误差： 500Hz～5KHz每变化20dB不大于1°。

当某一路输入幅度小于200mv时再附加1.5°。

2.5 分辨力：0.05°2.6 读数稳定度：100Hz～1KHz为±0.5° 1KHz～100KHz为±0.1°2.7 显示与极性四位半数字和小数点组成并自动显示正、负极性,显示数字的单位为度。

2.8 输入阻抗：10V以下为1MΩ,10V以上为10KΩ。

输入幅度:50mV～120V2.9 电源电压：220V±10% 频率 50Hz±5%3. 工作原理两路信号通过参考通道,信号通道各自的放大/衰减器,输出经检相后进行电压滤波,输入A/D转换器,经微处理器进行数据处理后送入显示器。

4. 使用说明4.1仪器通电前,应先进行外观检查,确认外观无损伤及控制开关正常后,在技术条件下,通电工作。

数字相位计介绍

数字相位计介绍数字相位计是利⽤数字信号处理技术显⽰频信号之间相位差，数字相位计具有具有读数⽅便、精度⾼、测量速度快，能有效地运⽤于信号参数的进⾏⾼精度测量,可实现复杂测量算法提供保证。

相位计是测量相位差的仪器,数字式相位测量仪就是专门测量低频信号的相位差，⼀般频率是100Hz以内的正弦频率信号，⾼精度相位计⼀般是指测量精度特别⾼，⼀般测量精度在0.2度以内，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指标,相位差的测量在⾃动控制以及通讯电⼦等领域有着⾮常⼴泛的应⽤。

随着科技的发展，各领域迫切的需要⾼精度⾼性能的相位测量系统，尤其在⼀些特殊⾏业或领域，必须依靠数字相位计进⾏测量，由此可见对⼈们对数字相位计的研究和相位测量系统的设计刻不容缓。

相位测量主要采⽤三种技术⽅法归纳如下：基于电路测相技术，基于数字信号处理测相技术和基于虚拟仪表侧向技术。

数字式相位测量仪⽅法是将输⼊的两路信号经过某种处理将其变成⽅波，再通过⽐较这2路⽅波计算出相位差脉宽，最后通过⽤⾼频脉冲填充相位差，这个过程就实现了相位差的测量。

⽬前数字相位计的发展研究已在多领域得到重视,并提出了很多⾼精度的测量算法。

现在就SYN5607型相位计⽽⾔其测量精度⾼,⼯作稳定,可以⽤于实际⼯程测量中。

SYN5607型相位计主要有下列技术指标:输⼊阻抗:1MΩ。

相位范围：0° to 360° or ±180°相位测量物模糊测相的范围。

频率范围：10Hz ～20KHz相位测量能够保证测量精确度的频率范围。

幅度范围：0.5Vrms ～100Vrms相位测量幅度范围。

相位测量精度：±0.1°相位测量的实际值与理论值的偏离程度。

相位分辨率:0.01°相位测量甭管分辨的最⼩相位单位。

频率测量精度:2E-6相位测量频率值的测量精度。

SYN5607型相位计，测量精度⾼稳定性好，可对对正弦/三⾓/梯形波/⽅波的相位差进⾏精密测量，主要应⽤于相控雷达阵、⽆线电导航系统、⾃动控制系统的测距和定位、⽔深测量、电磁波测量、电⼒系统的相位检测装置、激光测量等。

专题相位差的测量探索

o
二、椭圆法
[相位差改变，李沙育图形（椭圆）的长、短轴也跟着改变]
• 李沙育图形（椭圆法）
分析：
y KY u1 x K X u2
u1 U m1 sin( t ) u2 U m 2 sin( t )
y KY U m1 sin( t ) Ym sin( t ) Ym sin t cos Ym cos t sin x K X U m 2 sin t X m sin t
•
B为椭圆的短轴 A为椭圆的长轴右倾时 φ＜900
实际当中，还需要考虑：系统的固有相位差（如何产生的？）。
U2 U1
移相器
Y X
U1
§6.3
将相位差转换为时间间隔进行测量（重点）1
1 .1
介绍两种相位计：
△T
1、模拟式相位计
2、数字式相位计
s in( x)
A s in( x 0 .5)
B
C
1 2 t 1 2 当1 2 时， 1 2 为常数
§6.2 用示波器测量相位差
一、直接比较法
△T
1 .1
相位差测量原理图
s in( x)
A
B
C
D
s in( x 0 .5)
T
1 .1
0 x 7
tB t A T AB o o 360 360 360 tC t A T AC
x0 arcsin X m y0
上式有不便的地方……
• 当相位差接近 (2n-1)×900 时，X0 靠近Xm ,Y0 靠近 Ym ，难以读准，再加上此时X0 、Y0 对相位差很不敏感，测量误差将增大，实际中采用读长、短轴的方法计算相位差：

数字相位计工作原理

数字相位计工作原理
数字相位计是一种用于测量信号相位差的仪器，它基于数字信号处理的原理工作。

它通常通过使用两个或多个传感器来捕捉要测量的信号，并使用计算机或专用芯片对所测得的信号进行数字化处理。

数字相位计的工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 信号采集：使用传感器将要测量的信号转换为电信号并放大，然后将其送入模数转换器(ADC)。

ADC将模拟信号转换为数
字信号，并以一定的频率进行采样。

2. 数字信号处理：采样得到的数字信号经过一系列的数字信号处理算法，来提取信号的相关信息，包括幅度、频率和相位等。

这些算法可以包括傅里叶变换、相关函数或其他数学方法。

3. 相位差计算：通过对两个或多个信号进行相位计算，可以得到它们之间的相位差。

常见的方法是使用傅里叶变换来将信号从时间域转换到频率域，并找到主要频率成分的相位差。

4. 结果显示：最后，测得的相位差可以通过计算机界面或显示屏显示出来，以供用户查看和分析。

需要注意的是，数字相位计的精度和准确性受到多个因素的影响，包括传感器的质量、采样率、数字信号处理算法的选择以及后续的数据处理和校准方法。

因此，在使用数字相位计进行
测量时，需要进行适当的参数设置和校准工作，以确保得到准确而可靠的结果。

电力系统中相位测量的方法分析

电力系统中相位测量的方法分析作者：刘竹来源：《世界家苑·学术》2018年第06期摘要：本文介绍了经典相位测量方法，然后通过几种相位差方法比较，选择了数字化测量相位差作为电力系统相位差的测量。

关键词：相位差；数字化相位的测量通常是指两个同频率信号之间相位差的测。

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，在电力系统中，相位的测量具有很多重要的作用。

比如：在电能计费，测得电流与电压之间的相位φ，从而利用求出功率因数cosφ，进而求出有用功率；在电力系统中，当电网并网合闸时，需要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的相位差。

在电力系统中，由于频率的变化范围允许在 49.5°～50.5°之间波动，因此，并非所有的测量的相位的仪器都适合于测量电力系统中的相位，经过实际的调研和实验发现，国产的工频相位测量仪器很难达到对电子式互感器的测量要求。

所以寻找一种合理的相位测量方法，应用于电力系统中相当重要。

示波器法测量相位差1.1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）和u2（t）分别接到示波器CH 和 CH 通道上；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“校准”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，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360˚），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，则相位差∆φ为相位差符号的确定，相位差符号是由两信号的相对位置而定的，u2（t）滞后于u1（t），则∆φ = φ − φ1为负；而∆φ = φ − φ2为正，说明u1（t）超前u2（t）。

相位法光速测量

相位法光速测量实验本实验采用内调制被测信号的光强，测量光强调制波传播距离变化所引起的相应相位变化，最终测定光速，并可以测量有机玻璃、人造水晶、无水乙醇等介质的折射率。

一、实验目的1、了解相位法测量光速的频率和波长，从而确定光速的实验原理。

2、学会用相位法测量光速以及介质折射率。

二、实验仪器实验装置：导轨（长1m ，包含半导体激光器、调制及接收装置）、90反射镜、介质测量装置、f50透镜数字相位计、示波器三、实验原理采用频率为f 的正弦型调制波，调制波在传播过程中其位相是以2π为周期变化的。

表达式为：I=I 0[1+mcos2πf （t-x/t ）] (1)式中m 为调制度，cos2πf （t-x/t ）表示光在测线上转播的过程中，其强度的变化犹如一个频率为f 的正弦波以光速c 沿x 方向转播。

设测线上A 和B 两点的位置坐标分别为x 1和x 2，当这两点之间的距离为调制波波长λ的整数倍时，该两点间的相位差为：212()/2x x n φπλπ-∆== （2）式中n 为整数。

反过来，如果我们能在光的传播路径中找到调制度的等相位点，并准确测量它们之间的距离，那么这距离一定是波长的整数倍。

设由A点出发的调制波，经时间t后转播到A'点, AA'之间的距离为2D。

则A'点相对于A点的相移为ϕ=wt=2πft,如图1（a）所示。

然而我们不可能用一台测相系统对AA'间的这个相移量进行直接测量。

解决这个问题的较好方法是在AA'的中间B设置一个反射器，由A点发出的调制波经反射器反射返回A点，如图1（b）所示，光线由→→所走过的光程为2D，而且在A点反射波的位相落后ϕ=wt。

A B A如果以入射波作为参考信号（或作为基准信号），将它与反射波（以下称为被测信号）分别输入到相位计的两个输入端，由相位计读出基准信号和被测信号之间的相位差。

图1位相法测波长原理图本实验正是基于上述原理，实验原理图如图2所示，激光器将晶体振荡器G2产生的频率100MHz的晶振信号对光强进行调制形成光电调制波，该光信号经90反射镜返回，经一透镜会聚到光电二极管PIN，PIN将收到的光调制信号进行光电转换，输出与LED同频的信号经放大器放大后送入混频器2，与加在该混频器上的本机振荡器G1产生的100.300MHz的晶振信号混频，得到差频为300KHz的信号，该信号通过移相器送入示波器Y轴。

数字相位计

数字相位计摘要：目前广泛使用的是直读式数字相位计，其原理是基于时间间隔测量法，通过相位-时间转换器，将相位差为ψ的两个信号（分别称参考信号和被测信号）转换成一定的时间间隔τ的起始和停止脉冲。

然后用电子计数器测量其时间间隔。

关键词：数字相位计正文：一、原理目前广泛使用的是直读式数字相位计，其原理是基于时间间隔测量法，通过相位-时间转换器，将相位差为ψ的两个信号（分别称参考信号和被测信号）转换成一定的时间间隔τ的起始和停止脉冲。

然后用电子计数器测量其时间间隔。

如果让电子计数器的时钟脉冲频率倍乘36*10n（n为正整数），则显示值即为以度为单位的相位差值，其简单原理如图所示。

也可以用相位—频率转换器，把两信号之间的相位差变成频率，用电子计量器测量。

此外可采用相位-电压转换器，把相位转换为电压，用电压表测量。

以上是时间间隔测量基本的原理，其间隔时间为式中，N是在tψ时间内计数脉冲的个数；T0是时标信号周期。

式中，f为被测信号频率，f0为时标信号频率。

若让计数器在1s内连续计数，即1s内有f个门控信号，则其累计数为N1=f*N.则若取时标频率f0=360Hz，则可见，计数器在1s内脉冲的累计数就是以度为单位的两个被测信号的相位差。

若取f0=3600Hz，则每个计数脉冲表示0.1°，可以提高测量准确度。

二、电路图及具体原理分析电路由常用CMOS异或门74HＣ86和CMOS四比较器LM124组成。

LM124中的A1B，A1C为输入信号的过0检测器。

为了保护LM124集成块，用四只二极管（VD1-VD4）将比较器同相输入端的信号对地钳位，即把同相输入信号的幅值限制在二极管的正负管压降之内。

异或门74HＣ86的U2A，U2B为缓冲器（当开关S1断开时）。

电阻R10，R11接到U2A，U2B 的输入端，这两个缓冲器的输出驱动另外两个并接的异或门U2C和U2D，并联的目的是为了减小输出阻抗。

在U2C和U2D的输出端，电阻R4，R5，R P1和电容C1构成分压器和低通滤波器，对输出信号分别进行标定和滤波。

数字式相位测量仪

• 93•数字式相位测量仪是用数字形式显示两个同频信号之间相位差的仪器，是一种具有读数方便、精度高、测量速度快的电子仪器。

本文基于RS触发器检相原理，以可编程逻辑器件FPGA和单片机STM32为核心，通过对被测量信号的整形处理、数据采集、运算控制、显示等电路功能设计，最终实现了一个数字式相位测量仪系统。

引言：目前，随着社会经济的迅速发展与科技的不断进步，在各种测量方面对测量仪器的测量精度与整体性能的要求不断提高，越来越崇尚数字式的测量仪器。

由此可见，传统的模拟式测量仪器已无法满足现社会的需求，而在相位差测量方面的研究更是不容乐观；因此，对高精度的相位差测量的研究和相位差测量系统的设计，刻不容缓。

所以，本文设计了一台高精度的数字式相位测量仪。

本测量仪可以测量频率范围为10Hz ～100kHz 、信号峰峰值范围为 0.5V-5V 的任何两路同频率周期性波形的相位差及其频率，测量两路信号相位差的范围为 0°至359.9°，测量绝对误差小于1°；其频率测量绝对误差小于等于0.1Hz 。

1.总体框架本系统主要分为四大基本部分组成：LM393滞回比较器的整形电路、FPGA 数据采集与计数电路、RS 触发器数字电路和STM32数据拟合处理与显示电路。

系统设计中，可编程器件FPGA 采用等精度测量原理对经整行后的信号进行测频，采取其频率信息，同时对两路待测同频信号进行RS 触发器处理并通过计数器对两路待测同频信号相位差所对应的时间差进行测量。

单片机STM32通过与FPGA 进行SPI 通信，读取FPGA 测量得到的数据，并根据读取得到的数据进行计算两路待测同频信号之间的相位差及其频率，同时对数据进行多次测量与验证后，通过MATLAB 对数据进行拟合优化，最终通过使用人机界面友好的TFT 屏显示出来待测信号的相位差信息以及其频率信息。

总体框图如图1：图1 总框图1.1 LM393滞回比较器的整形电路的设计本系统中使用了两个精密运算放大器对两路信号进行放大或衰减，使两路待测输入信号的输入电压范围变宽，从而实现0.5V 到5V 的输入电压输入；滞回比较器在单限比较器的基础上引入了正反馈网络和上拉电阻，使其的门限电压随着输出电压Uo 的变化而改变，从而，使滞回比较器具有避免过零点多次触发的现象、提高了其抗干扰能力；因此，本系统采用了基于LM393的滞回比较器对放大或衰减后的信号进行整形，使两路待测输入信号变成方波信号，便于FPGA 对输入信号的信息采集，减少了FPGA 的计数误差，更准确地测出两路待测信号的相位差及其频率。

测量相位差的主要方法

丈量相位差的方法主要有哪些？丈量相位差能够用示波器丈量，也能够把相位差变换为时间间隔，先丈量出时间间隔，再换算为相位差，能够把相位差变换为电压，先丈量出电压，再换算为相位差，还能够与标准移相器进行比较的比较法 ( 零示法 ) 等方法。

一怎么用示波器来丈量相位差?应用示波器丈量两个同频正弦电压之间的相位差的方法好多，本节介绍拥有适意图义的直接比较法。

将 u1 、 u2 分别接到双踪示波器的 Y1 通道和 Y2 通道，适合调理扫描旋钮和 Y增益旋钮，使荧光屏显示出如图 2.42 所示的上、下对称的波形。

比较法丈量相位差设 u1 过零点分别为A、 C点，对应的时间为、tt； u2 过零点分别为B、 D点，对应的时间为、tA C Bt D 。

正弦信号变化一周是360 °， u1 过零点A比 u2 过零点-tA出B提，前所t以现u1 超前 u2 的相位。

Bu1 超前 u2 的相位，即u1 与 u2 的相位差为(2.56)T为两同频正弦波的周期;T为两正弦波过零点的时间差。

二数字式相位计的构造与工作原理是什么?数字相位计框图将待测信号u1(t)和u2(t)经脉冲形成电路变换为尖脉冲信号，去控制双稳态触发电路产生宽度等于T的闸门信号以控制时间闸门的启、闭。

晶振产生的频次为fc 的正弦信号，经脉冲形成电路变换成频次为fc 的窄脉冲。

在时间闸门开启时经过闸门加到计数器，得计数值n，再经译码，显示出被测两信号的相位差。

这类相位计能够丈量两个信号的“刹时”相位差，丈量快速，读数直观、清楚。

数字式相位计称做“刹时”相位计，它能够丈量两个同频正弦信号的刹时相位，即它能够测出两同频正弦信号每一周期的相位差。

三鉴于相位差变换为电压方法的模拟电表指示的相位计的丈量原理是什么?如图 2.44 所示，利用非线性器件把被测信号的相位差变换为电压或电流的增量，在电压表或电流表表盘上刻上相位刻度，由电表指示可直读被测信号的相位差。

基于斯密特触发器的简易数字相位计设计

常会遇到需要测量两个信号相位差的问题．随着相位测量技术的广泛应用，相位测量的精度对要求也越来越高．于信号的提取、对检测、理，处传统的测量方法虽有很多，如转换为电压法、示
波器测量法、差法、和阻抗法等，都存在着测量方法繁琐，度不高等问题．着电子技术的但精随
２１００年ｌ月１第６期浙江来自教育学院学
报
ＮｏｅｅＯｌｖｍｂｒ２０ＮＯ６．
ＪＵＮＬＯＨＪＡＧＥＵＡＩＮＩＳＩＵＥＯＲＡＦＺＥＩＮＤＣＴＯＮＴＴＴ
基于斯密特触发器的简易数字相位计设计
比较快，于实现，点是稳定性差，易缺易受干扰．同时在比较器选用时还应考虑使用运放还是集
成比较器实现，放具有较高的灵敏度，运但带宽不高，以符合条件，成比较器灵敏度低，难集难
收稿日期：００一ｌ２１０一ｌ７
关键词：密特触发器；位差；片机施相单中图分类号：Ｐ１文献标识码：文章编号：７ — ５４２１）６０９ｏＴ２６Ａ１１６７（０００－０９一５６
１引言
相位测量是科研和生产过程中测量的基础环节，电能质量检测、频特性研究等领域中如相
前级中级末级
禧：匝圜
２１前级波形变换模块．

第6章相位差测量

u2 (t) U2m cos
滤波后的直流电压：
请思考：相位差刻度如何标定? U0 U 2m cos
第6章相位差测量
二、相位差—电压转换式数字相位计
1.原理框图: 相位差时间间隔电压数字式显示φ
?Φ
双稳电路
1LSB＝?
第6章相位差测量
2.原理波形图
Φ
1LSB＝ Ug／360
T
U0 Ug T
± 7 × 10-9 / 闸门
9位/秒
7ns～7000s
20ns～7000s
0～360 °（精度 0.05 度）
0～1 × 1012
第6章相位差测量
习题六
p.191 6.2 6.3 6.5
2
缺点：相移调节范围小，不同相移输出电压幅度不同
第6章相位差测量
②一种改进的RC移相器
R Rc
uo与ui之间的相位差 00～－1800
第6章相位差测量
SP3386型高精度通用计数器/相位计
频率范围
动态范围测量精度测频分辨率测周范围测时范围相位测量计数测量
通道 1 和通道 2
0.14mHz～150MHz
调节
电压表或电流表或示波器
抵消被测信号间的相位差
第6章相位差测量
2.移相器 ①RC移相器相位差00～－900
相位差00～900
(a)低通滤波器：如图(a)
输出电压与输入电压的相位差为 arctan[1/(RC)]
(b)高通滤波器：如图(b)
输出电压与输入电压的相位差为
arctan[1/(RC)]
u2 (t) U2m sin（t－）
U2m sin (t－T）

第六章相位差的测量

Um 为电压的振幅；ω为频率； φ0为初相位； φ＝ωt+φ0称瞬时相位，随时间改变。当两个角频率为ω1、ω2的交流信号分别为 u1(t)=Umsin(ω1t+φ1） u2(t)=Umsin(ω2t+φ2）（6.1-2）则，它们的瞬时相位差θ(t)＝ (ω1t+φ1）- (ω2t+φ2）＝（ω1-ω2)t＋(φ1-φ2)
(6.2-4)
式中 Ym , X m 分别为光点沿垂直及水平方向的最大位移。由上
式第二式得 sin t x(t ) / X m ，并代入第一式得:
2 y(t ) (Ym / X m )( x(t )cos X m x(t ) 2 sin )
（6.2-5）
11
第六章相位差测量
d 标频脉冲控制电路
uh
0 n个
t
图6.3-2
数字式相位差计原理波形图
t
18
第六章相位差测量
二、数字式相位差计
上面的原理理论上可行，但具体实现很复杂，操作也不方便。因为它需要两个时间闸门形成电路，两个计数
显示电路，同时，再读得n和N后还要经 360 o
换算为相位差，不能直读。
因为要求测量精确度越高所使用的 fc 应越高。
例如，若被测频率为1MHz，要求测量误差为±1°时，即取
fc 360o 10b f 中b=1，则 fc 360 10 1MHz=3600MHz
目前还做不到对如此高的频率信号进行整形和计数。
23
第六章相位差测量
二、数字式相位差计再如，若某计数器最高计数频率为100MHz，要
T △T
（6.3-3）
u1
0

数字相位测量系统设计

数字相位测量系统设计摘要本论⽂针对在个⼯业和民⽤场合，为了对各种低频信号进⾏分析，常常引⼊相位测量,⽽典型的传统⽅法是通过显⽰器测量,这种⽅法误差⽐较⼤﹑读数不⽅便等问题，本论⽂就此问题设计了⼀种数字相位测量仪对其进⾏相位时间间隔测量。

以单⽚机AT89C51为核⼼，⽤零⽐较器LM393将正弦波信号转换为⽅波，通过由D触发器组成的双稳态触发器实现两⽅波信号的相位差，将得到的信号经过模拟开关进⾏整幅，使之⾼电平为基准电压4.98V,低电平为0V，整幅后的波形经整流滤波形成直流电压，对不同的占空⽐输⼊直流电压在0V～4.98V,⽤16位A/D7705进⾏采样,可使其精度远⼤于设计要求的0.1°。

显⽰采⽤七段LED数码管，并⽤MAX7219作为显⽰器的驱动，对LED的亮度进⾏调节。

论⽂设计了相位⽐较电路、移相电路、显⽰电路、直流稳压电路。

系统采⽤软硬件结合的⽅式，测量精度⾼、稳定性好、操作简单，适合使⽤于各种需要的低频相位测量场合。

关键词:相位测量、相位时间间隔测量、单⽚机（AT89C51）Abstractanalyzed, This paper in a industrial and civil occasions, in order to all kinds of low frequency signal is often introducing phase measurement, the typical and traditional way is through display measuring, this kind of method error is bigger, reading is convenient wait for a problem of this issue, this paper designs a digital phasic measuring instrument for its phase time-interval measurement.With single-chip microcomputer AT89C51 as the core, with zero comparator LM393 will sine signals converts square-wave by D flip-flop, composed of bi-stable flip-flop reach two square wave signal of phase, will receive the signal for the whole picture after analog switch, make high level for the datum voltage 4.98 V, low level for 0V, whole picture after the formation of the waveform dc voltage rectifying filtering for different 390v input dc voltage in 0V ~ 4.98 V, with 16 A/D7705 sampling, can make its precision far outweigh the design requirements of 0.1 °. LED digital display using seven section, and MAX7219 as monitor tube to drive, LED the brightness of the adjusted. Paper designed a phase comparison circuit, phase shifting circuit, display circuit, dc voltage circuit. System adopts hardware and software combination way, high accuracy, good stability, simple operation, and suitable for use in various needs of low-frequency phase difference measurement occasion.keywords: Phase difference measurement Phase time-interval measurement SCM(AT89C51)⽬录1．绪论 (5)1.1 国内外相位检测技术的发展现状 (5)1.2 本课题研究的主要内容 (6)1.3 本课题研究的⽬的和意义 (7)2．低频数字相位测量系统的总体⽅案设计 (8)2.1相位的基本概念 (8)2.2相位测量的技术指标 (8)2.3系统任务需求分析 (9)2.3.1课题要求 (9)2.3.2发挥部分 (9)2.4相位测量的原理 (9)2.5 设计⽅案的⽐较论证 (10)2.6单⽚机AT89C51功能简介 (12)2.6.1主要性能功能参数 (12)2.6.2 AT89C51特性功能概述 (13)3．相位测量硬件的设计 (14)3.1 系统总体结构的设计 (14)3.2 相位⽐较电路的设计 (14)3.3 A/D转换电路的设计 (15)3.4 键盘与显⽰电路的设计 (16)3.4.1主要性能 (16)3.4.2引脚功能 (16)3.4.3⼯作时序及转换原理 (16)3.4.4 AD7705数字接⼝及电路 (17)3.4.5⽚内寄存器 (18)3.5直流电源电路的设计 (20)3.6芯⽚MAX7219的简介 (20)3.6.1MAX7219的性能 (20)3.6.2管脚配置 (20)3.6.3典型应⽤电路 (22)3.6.5读写时序说明 (23)3.7直流电源电路的设计 (23)4．移相⽹络电路设计与参数计算 (25)5.1移相⽹络电路 (25)5.2移相⽹络参数设计 (25)5.3数字移相信号发⽣器 (27)5．系统软件流程设计 (30)结论 (31)致谢 (32)参考⽂献 (33)1. 绪论1.1国内外相位测量技术的发展现状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。

低频率数字相位差测量仪设计

引言相位差测量数字化的优点在于硬件成本低、适应性强、对于不同的测量对象只需要改变程序的算法，且精度一般优于模拟式测量。

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率信号之间的相位差。

例如，电力系统中电网并网合闸时，需要求两电网的电信号的相位差。

相位差测量的方法很多，典型的传统方法是通过示波器测量，这种方法误差较大，读数不方便。

为此，我们设计了一种基于锁相环倍（分）频的相位差测量仪，该仪器以锁相环倍（分）频电路为核心，实现了工频信号相位差的自动测量及数字显示。

论文摘要本系统为低频数字式相位/频率测量仪，由移相网络模块、相位差测量模块及频率测量模块三大部份构成，其系统功能主要是进行相位差测量及频率测量。

移相网络主要是由RC移相电路和LM324运放电路组成，将被测信号送入移相网络，经RC移相、LM324隔离放大，产生两路信号，一路为基准信号经过波形转换，另一路为移相后的信号。

分别经过波形转换、整形、二分频送给相位测量模块及频率测量模块。

相位差测量仪主要是由锁相环PLL（Phase Lock Loop）产生360倍频基准信号和移相网络的基准信号与待测信号进行异或后的信号作为显示器的闸门电路和控制信号。

频率测量模块主要是用计数法测量频率的，它是有某个已知标准时间间隔Ts内，测出被测信号重复出现的次数N，然后计算出频率f=N/Ts.显示电路模块主要是由计数器、锁存器、译码器和数码管组成。

低频率数字相位测量仪目录1设计任务书 (3)2设计方案概述 (3)3系统的组成………………………………………………………………………………4.3.1总体框图 (4)3.2移相网络部分 (4)3.3相位测量部分 (6)1)波形转换、整形放大 (8)2)锁相环倍频 (9)3)闸门电路 (11)4)控制门 (11)5)计数器 (11)6)锁存器 (11)7)显示译码器与数码管 (11)3.4频率测量部分 (12)1)数字频率计的基本原理 (12)2)系统框图 (12)4附录………………………………………………………………………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1KHZ～20KHZ可调（2）输入信号的幅度为10mV（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。

数显相位表(补充说明)

图7
图8
图3
图4
有很多同学对数字相位表的使用仍然不清楚，甚至影响到对交流电源的认识、以及对交流电压表和交流电流表的使用。
例1 用数显相位表测出图1中与之间的夹角φ。
前面4个例子中4个角度之间的关系
数字相位表的电流线圈和电压线圈接入电路时要注意：待测电流应从电流线圈标＊的孔流入，从未标＊的孔流出；
* 例4 用数显相位表测出图7中与之间的夹角θ。
I 前有面很4多个+同例学子对中数4字个相角位度表之的间使的用关仍系然不清楚，甚至影响到对交流电源的认识、以及对交流+电压表和交流电流表的使用。
U 例1 用数显相位表测N出网图络1中与之间的夹角φ。
U 图1
图2
～
N网络
例4 －用数显相位表测出图7中与之间的夹角θ。
其中，待测电流的流向、待测电压的高低端应以给定电路图中电流、电压参考方向为准。
举例如下：
例1 用数显相位表测出图1中U 与 I之间的夹角φ。
根据图1所示电压电流参考方向，画出测量电路图
如图2所示。
I
+
U
N网络
－
U*
I*
I
～
U+
－
N网络
图1
图2
例2 用数显相位表测出图3中U 与 I之间的夹角α。
根据图3所示电压电流参考方向，画出测量电路图
如图4所示。
例4 用数显相位表测出图7中与之间的夹角θ。
其中，待测电流的流向、待测电压的高低端应以给定电路图中电流、电压参考方向为准。
U* 根据图7所示电压电流参考方向，画出测量电路图如图8所示。
I I 请同学们认真仔细的对比前面4个例子，加深理解，消除以下2种错误认识

数字式相位差测量系统(基于51单片机)

数字相差检测仪的制作专业：电气班级：XX班学号：XXXXXXXXXX 学生姓名：XXX指导教师：XX目录摘要： ............................................................................................................... 错误!未定义书签。

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第一章绪论. (5)1.1 测量相位差的作用和意义 (5)1.2 相位差测量的研究现状 (5)1.3本课题研究的主要内容 (7)第一章：最小二乘法以及快速傅里叶变换简介 (8)1.1：最小二乘法简介 (8)2.1 主程序流程图 (12)2.2位倒序算法实现 (12)2.4 FFT算法的实现 (13)2.5 AD采样的使用 (14)2.6 定时器的使用 (15)第三章：硬件电路设计 (17)3.1 移相电路的设计 (17)3.2 电压跟随器模块 (17)3.4 电源电路 (18)3.4.1 变压器简介 (18)3.4.2 单相全桥整流电路 (19)结论 (20)致谢 ................................................................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献（Reference).. (21)附录： (22)基于最小二乘法的低频数字相位差检测仪的研究摘要：常见的相位差检测方法一般是过零法，通过外部硬件电路对正弦信号的零点进行检测，产生的脉冲信号出发MCU的外部中断，通过MCU的定时器计算出信号的频率以及相位差。

数字式电压相位、相序测量仪

数字式电压相位、相序测量仪
难度系数:1.05 一、任务
设计制作一个测量多路电压相位差及相序的仪表
二、要求
电力系统变电站中的继电保护与控制设备，需要实时测量三相交流电压之间的相位差，以监视三相是否平衡；获得三相交流电压之间的相位差后，就可以知道三相交流电的相序是否为正序，如果反相序的话，应给出告警信号。

结构示意图如下。

U
1、基本要求
（1）可以测量三路同频率的电压输入信号之间的相位差，固定以第一路输入电压为相位基准；
（2）电压输入信号为正弦信号，幅值范围30V～50V，频率范围45Hz～55Hz；（3）输入阻抗≥100kΩ；
（4）具有相位差的数字显示功能，读数范围为0.0°～359.9°；
（5）相位差测量误差≤2°；
（6）具有反相序告警指示功能。

2、发挥部分
（1）具有相位差过大报警功能，越限定值可设置，设置范围0.0°～150.0°；（2）可以适应输入信号频率范围20Hz～200Hz；
（3）相位差测量误差≤1°。

三、评分标准
四、评分标准。

相位数的概念

相位数的概念相位数是指某个振动或波动的周期内穿越的相位数，也可以理解为一个周期内波的起伏次数。

在物理学中，相位数的概念十分重要，因为它和能量、频率、波长等物理量密切相关。

在下面的内容中，我们将从相位数的定义、计算、应用等方面逐步探讨这个概念。

一、相位数的定义相位数指的是一种运动状态，可以理解为振动或波动的周期内穿越相位的个数。

相位是指振动或波动状态下某一时刻的状态，它用相位角来表示。

相位角是一个角度值，通常用弧度制表示，并用标准符号“φ”来表示。

在一个周期T内，当振动或波动从零开始到达顶峰时，它经历了一个相位，表示为φ=0。

当它再次回到零点的时候，也经历了一个相位，表示为φ=2π。

因此，在一个振动周期内，相位总共可以穿越2π个值。

这就是相位数的概念。

二、相位数的计算相位数的计算十分简单，只需要将振动或波动的周期除以2π即可。

如果一个波动的周期为T，则它在一个周期内穿越的相位数为：n = T / 2π同样的，如果我们知道了某个振动或波动的相位数n，也可以通过下式计算出它的周期T：T = 2πn这两个公式是相位数计算中最基本的公式，掌握了它们，我们就可以轻松地计算出相位数和周期的值。

三、相位数的应用1.相位数和波长在波动中，一个波长λ被定义为平均相位变化的距离。

因此，波长可以用相位数和振动频率f来计算：λ= v / f = vT / (2π) = n / (f / v)其中，v表示波的速度，T表示波的周期。

因此，知道相位数可以帮助我们计算出波的波长。

2.相位数和能量在物理学中，相位数和能量也是密切相关的。

振动或波动的能量与该运动的振幅和频率有关。

相位角φ也可以用来计算振幅，因此我们可以使用下式计算出振动或波动的能量：E = 1/2mv²= 1/2kA²ω²cos²φ其中，m表示质量，v表示速度，k表示弹性系数，A表示振幅，ω表示角频率，φ表示相位角。

因此，如果我们知道了振幅、角频率和相位角，就可以计算出振动或波动的能量。