数字式相位差测量仪说明书_图文(精)
数字式相位测量仪相位差测量高精度相位计相位计(精)
SYN5607B型相位计
产品概述
SYN5607B型相位计操作简便、使用方便、安全，由于采用电流耦合、高阻输入方式对轨道电路相位差、相邻区段极性交叉进行检查，解决了相邻区段有车占用时极性交叉无法检查的问题。
产品功能
1对正弦/三角/梯形波/方波的相位差进行精密测量。
产品特点
a高度集成，精度高；
b稳定性好，性能可靠；
典型应用
1相控雷达阵、无线电导航系统、自动控制系统的测距和定位，电力系统中相
电压的相位差测量等；
2适用于25Hz相敏轨道电路设备的电压、电流和频率、相位差的检测。
技术指标
2。
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。
数字钳形相位表使用说明书
U=180 450V
(3 +1d ) (I=30 600A U=180 450V)
1
(4 +1d) I=2 200A
+2 -6 1d (I=6 30A U=90 180V)
电 阻*** 2000
U=90 180V
(4 +1d ) (I=30 600A U=90 180V)
(1.0%+2d)
1
* 最大输入电压 600V 输入阻抗 10M
=UAB IA cos(30 + A)+ UCB IC cos(330 + c)
=UAB IA cos(30 + A)+UCB Ic cos(30 - c) 式中 UAB 与 IA 之间的相位角 30 + 及 UCB 与 IC 之间相位角 330 + 可由图 3 看出 UCB IC cos(30 - )是由 UCB IC cos(330 + )化简而来 我们必须记住 UCB 超前 Ic 的真实相位角 为 330 + K 是与电压互感器 电流互感器有关的常数 A, B, c 是各相负载相位角 负 载平衡时相等 一般在 0 30 于是 我们可以得出以下结论作为三相三线电度表接线正确的 判定标准 即 第一个元件 U.I 之间相位角为 30 60 第二个元件 U.I 之间相位角为 330 360
VC3222A/VC3222B 数字钳形相位表使用说明书
一 概述 VC3222A/B 数字钳形相位表是测量工频电压与电流之间相位 交流电流 交流电压和电阻的钳形
表 测量交流电流以及电压与电流之间相位时 不必断开电流回路 从而使测量安全 方便 迅速 通过对电压 电流之间相位的测量 使用本表能测算出功率因数 有功功率及无功功率 也能测算出 相序 电压之间相位及电流之间相位
低频数字式相位测量仪简单介绍
低频数字式相位测量仪简单介绍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。
如水深测量、电磁波测量、电力系统的相位检测装置、激光测量等。
目前常用的低频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。
1、低频相位测量仪的意义大家都知道相位是交变信号三要素（频率伏值相位）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指标。
相位差是测量两个同频率周期信号的相位差值。
相位计就是测量相位差的仪器,低频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。
低频数字式相位测量仪的工作原理和误差源就是设计低频数字式相位测量仪必须了解的内容。
2、低频数字式相位测量仪测试方法（1）示波器法示波器法是把两个被测信号同时加到双踪示波器的两个Y通道，直接进行比较，根据两个波形的时间间隔△T与波形周期T的比，计算相位差Φ。
示波器测量相位差缺点是精度不高。
（2）零示法零示法其实是将被测信号和可变移相器串联然后和另一同频率信号同时加在相位比较器如示波器、指示器等上，调节可变移相器，使比较器指示零值相位，则移相器上的读值即为两信号间的相位差。
这种测量方法的精度决定于所使用的移相器的精度，一般达十分之几度。
（3）直读式相位计法直读式相位计最大的优势就是可以直接读取相位差。
同事其测量速度也比较快，还能显示相位变化。
一般而言直读测量相位差的方法有：数字式直读相位计法、矢量电压表法相敏检波器法和环形调制器法。
其中前两种是目前低频数字式相位测量仪测试方法中最常见的，具体测试方法如下：a、数字式直读相位计法测量相位差的基本原理与测量时间间隔大体相同，见时频测量。
即将被测两信号电压经过脉冲形成电路，变换成尖脉冲，去控制双稳态触发器，由此产生宽度为△T的闸门信号。
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。
双钳数字式相位表标准说明书共8页
双钳数字式相位表标准说明书由于输入输出端子、测试柱等均有可能带电压，在插拔测试线、电源插座时，会产生电火花，小心电击，避免触电危险，注意人身安全！安全要求请阅读下列安全注意事项，以免人身伤害，为了避免可能发生的危险，只可在规定的范围内使用。
只有合格的技术人员才可执行维修。
—防止火灾或人身伤害使用适当的电源线。
只可使用专用并且符合规格的电源线。
正确地连接和断开。
当测试导线与带电端子连接时，请勿随意连接或断开测试导线。
注意所有终端的额定值。
为了防止火灾或电击危险，请注意所有额定值和标记。
在进行连接之前，请阅读使用说明书，以便进一步了解有关额定值的信息。
使用适当的保险丝。
只可使用符合规定类型和额定值的保险丝。
避免接触裸露电路和带电金属。
有电时，请勿触摸裸露的接点和部位。
请勿在潮湿环境下操作。
请勿在易爆环境中操作。
－安全术语警告：警告字句指出可能造成人身伤亡的状况或做法。
目录概述 (5)1、基本误差 (5)２、工作误差 (7)３、安全特性 (8)４、其它技术特性 (8)5、使用操作 (9)6、显示屏角度选择 (11)7、电池更换 (12)8、警告 (12)概述SMG2000B数字式双钳相位表是专为现场测量电压、电流及相位而设计的一种高精度、低价位、便携手持式、双通道输入测量仪器。
用该表可以很方便地在现场测量U-U、I-I及U-I之间的相位，判别感性、容性电路及三相电压的相序，检测变压器的接线组别，测试二次回路和母差保护系统，读出差动保护各组CT之间的相位关系，检查电度表的接线正确与否等。
采用钳形电流互感器转换方式输入被测电流，因而测量时无需断开被测线路。
测量U1-U2之间相位时，两输入回路完全绝缘隔离，因此完全避免了可能出现的误接线造成的被测线路短路、以致烧毁测量仪表。
显示器采用了高反差液晶显示屏，字高达25mm，屏幕角度可自由转换约70°，以获得最佳视觉效果。
仪表外壳采用工程绝缘材料，另配橡皮防振保护套及便携式防水布包，安全、可靠。
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。
数字式相位差测量仪
绪论随着科学技术的突飞猛进的发展，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。
低频数字式相位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，我们设计一种数字式相位差测量仪，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。
本低频数字式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40Hz～60Hz，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。
数字式相位差测量仪1结构设计与方案选择1.1基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述基于过零检测法数字相位测量仪工作原理，从变换方式来分，有将相位差变换成直流电压的，有将相位差变换成时间的。
后者又可以分为瞬时值相位法和平均值相位法。
下面就对这两种方法分别作介绍，最后再对这两种方法作对比分析。
其实为达到较高的精度且便于数字集成，本设计最终将采用相位差变换。
1.1.1相位－电压法相位－电压法的实现原理如下，由于任务书中要求测量一电路中电压和电流的相位差，本设计的两路信号是以输入电压作为基准信号Fs，经过一个RC电路后提取电流信号Fr经电压比较器整形为方波信号，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t p反映了两列信号的相位差，再经过RC电路积分后进行A/D转换。
数字式相位差测量仪
绪论随着科学技术的突飞猛进的发展，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。
低频数字式相位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，我们设计一种数字式相位差测量仪，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。
本低频数字式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40Hz〜60Hz，幅度为0.5 V，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。
数字式相位差测量仪1结构设计与方案选择1.1基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述基于过零检测法数字相位测量仪工作原理，从变换方式来分，有将相位差变换成直流电压的，有将相位差变换成时间的。
后者又可以分为瞬时值相位法和平均值相位法。
下面就对这两种方法分别作介绍，最后再对这两种方法作对比分析。
其实为达到较高的精度且便于数字集成，本设计最终将采用相位差变换。
1.1.1相位—电压法相位一电压法的实现原理如下，由于任务书中要求测量一电路中电压和电流的相位差，本设计的两路信号是以输入电压作为基准信号Fs,经过一个RC电路后提取电流信号Fr经电压比较器整形为方波信号，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t p反映了两列信号的相位差，再经过RC电路积分后进行A/D转换。
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）
低频数字式相位测量仪
低频数字式相位测量仪设计报告目录1方案设计与论证2 1．1移相网络设计方案2 1.2相位测量仪设计方案3 2系统设计3 2.1总体设计32.1.1系统框图3 2.1.2模块说明4 2.2各模块设计及参数计算4 2.2.1移相网络设计及R、C参数设定4 2.2.2相位测量仪设计52.2.3软件系统63.结论64.参考文献75．附录7系统设计图7摘要本系统以单片机为核心，辅以必要的模拟电路，构成了一个基于具有高速处理能力的低频数字式相位测量仪。
该系统由相位测量仪和移相网络组成；移相网络能够产生-45~45°相位差的两路信号；相位测量仪能够测量出具有0°~359°的两路信号的相位差，绝对误差小于2°，具有频率测量及数字显示功能。
经过实验测试，以上功能均可以准确实现。
关键字：单片机移相相位差数字显示1方案设计与论证1．1移相网络设计方案本设计的核心问题是信号的模拟移相程控问题，其中包括波形相位以及波形幅度的程控。
在设计过程中，我们首先考虑了赛题中提供的方案。
如图1-1所示：V1VV2图1-1该模拟电路主要采用高、低通电路的临界截止点来产生极值相位的偏移。
当高、低通电路的截止频率等于输入信号频率时，根据其幅频特性，信号波形所产生的相位分别为45°和-45°，恰好满足赛题要求的连续相移范围-45°~45°的调节。
由于高、低通电路在截止点时会产生幅度的衰减，故电路在后级加了放大电路，且采用了电压串联负反馈的方式提高了输入阻抗并降低了输出阻抗，电路最后还设计有调幅装置，能够很好地满足A、B输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3V—5V范围内变化。
综上所述，该移相网络能够满足赛题的所有要求，且电路设计简单、易行，故我们直接采用了这种方式来产生模拟的相移输出。
1.2相位测量仪设计方案方案一：检相器可以利用正弦波形的正半周和负半周的对称特性。
模电课程设计——数字式相位差测量仪
模电课程设计——数字式相位差测量仪小组成员：韦岸（组长）袁剑波农志兴杨勰一．数字式相位差测量仪的概念数字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，使计数器仪在两信号的相位差期间计数。
其功能，先将计数器进行清零，接下来检测输入的脉冲的上升沿，若上升沿到，则计数器开始工作，当下一个新号的上升沿到来的时候，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，可是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。
二．原理框图的构建相位差测量仪的原理框图，分辨率为1度。
基准信号（相位基准）f 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，但相位与f 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经过放大整形再2分频后得到f s/2与f/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阀门控制信号，使计数器仅在f与f s的相位差tp内计数，这样计数器记得的数即为f与f s之间的相位差。
由于计数器时钟频率为360f，因此，一个计数脉冲对应1度。
计数的值经锁存译码后通过LED数码管显示。
D触发器用于判断f与f s的相位关系，当Q为1时，f超前于f s，相位取正值，符号位数码管显示全黑：当Q为0为0时，f滞后于f s，相位取负值。
原理框图三.电路原理图四.使用元件原理介绍（1）放大电路本设计采用的是LM324运算放大器，如下图：通过使用LM324运放器，我们可以使正弦波转变为方波。
数字式相位差测量方法及精度分析
I
(12)
定义
SN R in
=
PA2 σ2N / B
I
,则
SN
R
out ≈
n·SN R 4π·B L
in
(13)
测量误差信号是一个随机过程 ,因而相位差的测量方差为[4 ]
σ2<∝1/
SN R out
=
4πB L n·SN R in
(14)
3 相位差测量精度的仿真
定义 sin <k 的测量 RMS 误差为
I2 k = U mkcos ( k·ωI/ Fs + φ2 k) + n2′= S 2 k + n′2 k (6)
其中 , Fs 是采样频率 ; n′1 k , n′2 k为 n1 , n2 的采样与量化误差 之和 。
图 2 辐射源信号及其包络 Fig. 2 Signal S 1 , S 2
图 3 信号 S 1 , S 2 的频谱 Fig. 3 Spectrum of S 1 , S 2
其中 T 是用于测量和信号时间长度 , K = T/ Ts , Ts 是采样间隔 。
仿真按下面的参数进行 : f I = 30M Hz , PW = 0. 33μs , PRF = 200 Hz , PA = 1 , SN R = 16 ,A/ D 的位数
N AD为 10bit , Fs = 120M Hz , B I = 3M Hz , B L = 10 Hz , T = 1s。而 < = 2π·f d·t , f d = 0. 5 Hz 。
数字式相位差测量方法及精度分析 Ξ
邓新蒲 ,卢启中 ,孙仲康
(国防科技大学电子科学与工程学院 ,湖南 长沙 410073)
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。
Abstract: ............................................................................................................. 错误!未定义书签。
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。
数字相位差测量仪设计
从数字频率计的基本原理出发,根据设计要求,得到如图所示的电路框图
数字频率计的框图
把被测信号(以正弦波为例)通过放大`整形电路将其转换成同频率的脉冲信号，其频率与被测信号 的频率相同。时基电路提供标准的1s时间基准信号，其高电平持续时间 ，当1s信号来到时，闸门开通，被测信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率 。控制电路有两个输出信号：一个信号是产生上升沿的脉冲送入锁存器进行锁存，使送到译码器的数稳定，使得显示器上的数字稳定；另一个信号是产生一个下降沿的脉冲给计数器清零端清零，使计数器在每次1s过后清零从零开始新的一轮计数。逻辑控制电路是控制计数器的工作顺序的,使计数器按照一定的工作程序进行有条理的工作(例如准备----计数----显示------清零----准备下一次测量.时序关系图如图所示：
相位比较器Ⅱ输出的相位误差电压是周期性脉冲波形，需要使用环路低通滤波器将它平滑后输出一个直流控制电压，去控制VCO 频率和相位，使之向减小误差方向变化，以消除频差与相差，从而达到锁定状态。对于高频噪声及其它交流谐波分量，它们将受到滤波器的抑制。
环路低通滤波器由外接的R、C元件组成无源比例积分滤波器。
波形转换、整形、二分频电路
二）锁相环倍频
锁相式数字频率合成器电路原理框图如图所示
：
1、锁相式数字频率合成器的组成与基本工作原理
图中的相位比较器与压控振荡器VCO由锁相环LM4046组成。1/N分频电路是一个三级可预置数分频器，各级都采用可预置数BCD码同步1/N制计数器MC14522，每级的分频比可由单片机去控制，也可用4 位小型拨动开关以8421BCD码形式对该级计数器进行预置数，分频比可选择的范围为0——999，总共可生成999个频率点，它是构成锁相式数字频率合成器的主要单元电路之一，称之为程序分频器TN。
数字相位差测量仪在江苏某电源生产厂投入使用170104
数字相位差测量仪在江苏某电源生产厂投入使用2016年12月，我公司自主研发生产的数字相位差测量仪在江苏某电源生产厂投入使用，初步已解决相位测量问题，并对该产品进行了高度的评价。
数字相位差测量仪简介相位差测试仪是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，功能越越多。
相位差测试仪应用于电力线路、变电所的相位校验和相序校验，具有核相、测相序、验电等功能。
具备很强的抗干扰性，适应各种电磁场干扰场合。
被测高电压相位信号由采集器取出，经过处理后直接发射出去。
由接收器接收并进行相位比较，对核相后的结果定性。
因本产品是无线传输，真正达到安全可靠、快速准确，适应各种核相场合。
相位差的测量待测相位差的正弦电量的频率范围很广，因此采用的测量方法和仪器一般随频率的高低来选择。
常用的方法是直接法和间接法。
直接法使用专用的仪表如指针式相位表、数字相位表，或采用阴级示波器来测量相位差。
采用阴极示波器时，将两同频正弦电压信号分别加到示波器的X、Y轴，得到如图1所示的椭圆图形,则两正弦电压之间的相位差∮=arc sin(b/α)。
这一方法不能判断两信号哪一个领先或滞后，并且在∮值接近零时，椭圆也退化接近成为一条直线，即b值很小,所以∮值很难测准。
间接法通常采用三电压表法。
一般要求两电压信号有一公共点（设为a点），当分别测出两信号电压Uab、Uca,以及两电压的差值Ubc后。
按余弦定理，两信号电压间的相位差当∮很小时,可将Uab或Uca中较大的一个信号电压分压，使分压后两信号的数值相等。
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目录绪论 (1摘要 (21 结构设计与方案选择 (31.1 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 (41.1.2 相位-时间法 (51.2 方案的比较与选择 (62 相位-时间法单元电路的原理分析与实现方法 (62.1 前置电路设计与分析 (62.1.1 放大整形电路的分析与实现 (62.1.2 锁相倍频电路的分析与实现 (72.2 计数器及数显部分的设计与分析 (92.2.1 计数器部分的分析与实现 (92.2.2 译码显示部分的分析与实现 (103 结论 (124 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。
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。
为达到要求的精度本设计采用了锁相倍频电路,通过锁相环74HC4046和四片74LS90芯片组成的3600分频器。
整个模块实现3600倍频效果,使得精度达到0.1°。
本电路通过四片74LS161和四片7400构成的十进制计数器,并用四片4511和四个七段共阳极数码管来共同达到译码显示相位差的效果。
整个装置具有原理简单,测量精度高,测量范围宽,测量结果显示直观的特点。
关键词:相位测量锁相倍频器整流放大电路数字式相位差测量仪1 结构设计与方案选择1.1 基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述基于过零检测法数字相位测量仪工作原理,从变换方式来分,有将相位差变换成直流电压的,有将相位差变换成时间的。
后者又可以分为瞬时值相位法和平均值相位法。
下面就对这两种方法分别作介绍,最后再对这两种方法作对比分析。
其实为达到较高的精度且便于数字集成,本设计最终将采用相位差变换。
1.1.1 相位-电压法相位-电压法的实现原理如下,由于任务书中要求测量一电路中电压和电流的相位差,本设计的两路信号是以输入电压作为基准信号Fs,经过一个RC电路后提取电流信号Fr经电压比较器整形为方波信号,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t p反映了两列信号的相位差,再经过RC电路积分后进行A/D转换。
根据相位差与电平成正比的关系,由芯片ICL7136组成的显示校正网络得到相位差值。
图中的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F S,相位取正值,符号位显示全黑;当Q为0时,F R滞后于F S,相位取负值,符号位显示“-”。
其总体原理方框图和测量波形图分别如图1-1和图1-2。
图1-1 方案一总体原理方框图图1-2 测量波形图在上图中有V=v*tp/T.其中T为鉴相之后的波形周期,v为波形高度。
1.1.2 相位-时间法基于相位-时间法原理的测量仪的原理框图如图1-3所示。
基准信号(电压信号fr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=3600的分频器,使锁相环的输出信号频率为3600fr,但相位与fr相同,这个输出信号被用作计数器的计数时钟。
图1-3 总体原理方框图电流信号fs与电压信号fr经放大整形再2分频后得到的fs/2与 fr/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fr与fs的相位差tp内计数,这样计数器计得的数即为fr与fs之间的相位差。
由于计数时钟频率为3600fr,因此,一个计数脉冲对应0.1°。
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1-4得到理解和说明。
图中D触发器用于判断fr与fs的相位关系,D触发器的特性方程如下式(1.1,当Q为1时,fr 超前于fs,相位取正值,符号位数码管显示全黑;当Q为0时,fr滞后于fs,相位取负值,符号位数码管显示“-”。
图1-4 测量波形图1.2 方案的比较与选择通过对以上两种方法的基本原理分析与比较,本设计中的相位-时间法采用的是一种基于74HC4046的锁相功能和利用74LS90芯片制成的3600分频来达到信号的倍频效果,其精度可达到0.1°。
而相位时间法则是基于RC电路的积分和ICL7136芯片的显示校正网络来实现相位差的测量和显示,其测量精度和稳定度远远不如上一种方法高。
鉴于以上诸多因素,本设计最终选择相位-时间法。
2 相位-时间法单元电路的原理分析与实现方法2.1 前置电路设计与分析2.1.1 放大整形电路的分析与实现放大整形电路:是通过2片LM324运放和1片7404来实现放大整形电路的。
在相位差测量过程中,不允许电压和电流两路信号在放大整形电路中发生相对相移。
为了使两路信号在测量电路中引起的附加相移是相同的,如图1-3中A1和A2安排了相同的电路。
如图2-1所示,第一级运放将输入信号放大K倍,其中k 为放大倍数,K=1+R2/R1。
为了使信号能放大11倍,可以将R2设置为100K,将R1设置为10K。
C1为耦合电容,起作用为隔直流通交流。
第二级运放用作比较器,经3.3kΩ的限流电阻和DZ组成的限幅电路以及二极管D和7404整形后,使其转换成TTL电平的信号。
图2-1 放大整形电路Multisim模拟图2.1.2锁相倍频电路的分析与实现锁相倍频电路:是通过锁相环和分频器两个环节实现的。
设电流信号的最高工作频率为250Hz,测量的分辨率取0.1°,3600倍频后信号的频率为900KHz,故可选择最高工作频率为40MHz的锁相环74HC4046。
为了使fr 在0Hz~250Hz时锁相环工作稳定,线性良好,入锁时间快,电阻电容参数选择见附录1的元器件名细表所标的值。
其电路原路图如图2-2所示。
图2-2 锁相倍频电路设经过放大整形后的两路信号分别记为fr’和fs’。
信号fr’由锁相环的14脚输入,输出信号经由4片74LS90芯片组成的3600分频器反馈到锁相环的3脚输入,其中两片90芯片组成两个六进制计数器,另两片组成两个十进制计数器,一起组成3600的分频器。
整个模块实现3600倍频的效果,使得测量的精度能达到0.1°。
图2-3为4046的引脚图,图2-4(a、2-4(b为90芯片的引脚图和功能图。
图2-3 4046引脚图图2-4(a74LS90引脚图图2-4(b 74LS90功能表2.2 计数器及数显部分的设计与分析计数器及数显部分由计数器译码器及5个7段共阳LED数码管实现。
数码管最高位LED5为相位超前滞后显示位,低4位数码管显示相位差的值。
计数器、锁存及译码电路由数字逻辑器件完成。
本设计选用74LS161计数及74HC4511译码来实现计数及数显部分的功能要求。
2.2.1 计数器部分的分析与实现本部分的核心部件是由十六计数器74LS161,它是边沿处罚的同步加法计数器,CLR为异步清零端,LOAD为置数端,以低电平为有效电平。
用一块74LS161和一片与非门采用反馈清零法可制成十进制计数器,四片161达到计数锁存相位差数值的效果,其电路原理图如图2-5。
其最低位161片的脉冲由经过异或门和经过锁相倍频后的两列波经过一个与非门产生,这是为了保证计数器能在所求相位差的脉冲时间内计数。
其输出端接译码器的输入端A、B、C、D。
其LOAD端与异或门出来后的信号相连,当停止计数时将触发置数端产生清零的效果。
图2-5 计数器原理图芯片74LS161的引脚图和功能表分别如图2-6(a和2-6(b所示。
图2-6(a 74LS161引脚图图2-6(b 74LS161功能表2.2.2译码显示部分的分析与实现译码显示部分是由四片74HC4511与四个7段共阳数码管来共同达到译码显示相位差的效果,第5个数码管引脚的G端与D触发器相连,用来显示相位差的超前或滞后当Q为1时,fr超前于fs,相位取正值,符号位数码管显示全黑;当Q 为0时,fr滞后于fs,相位取负值,符号位数码管显示“-”。
其电路原理图如图2-4。
芯片4511的LE端与异或门出来后的非门相连,当计数器停止工作时,4511将锁存 LE由0跳变到1时的BCD码的输入。
芯片74HC4511的引脚图和功能表如图2-8(a和2-9(b所示。
图2-7 译码显示原理图图2-8(a 4511引脚图图2-8(b 4511功能表结论1.设计总结实验证实,本系统能够比较精确检测频率为0~250Hz,幅度为0.5V的电压和电流的相位差,测量精度为0.1°,用数码管显示测量结果相当直观和清晰,且具备体积小、操作灵活、性能稳定和性价比高的特点。
本系统实现了题目基本部分以及发挥部分的要求,经过测试,相位测量仪幅度为0.5V,频率为0~250Hz的范围内稳定工作。
如果要进一步提高精度和简化设计,可将数字逻辑器件改为可编程逻辑器件,还可以加入相位测量的自适应调节,将锁相倍频的功能进一步完善,如改为可选测量的分辨率等,使得系统更趋于智能化、人性化的特点。
当然,本设计也有一些不足之处,如在调试的过程中数码管的显示不够稳定,这主要是因为输入信号要经过一个运放和一个3600的分频所致,还有一部分原因是所设计的系统比较庞大,所用元器件数量偏多,参数设置不太准确,导致总体效果不太好。
改进的方法是将前置运放的倍数提高,合理设置参数使锁相环的倍频稳定。
2.设计心得·体会参考文献[1]康华光。