基于单片机的相位差在线检测

引言：

在实际工作中，常常会遇到两列频率相同信号之间存在的相位差，那么就需要测量它们之间的相位差。电力系统中的电网并网合闸时，需要两电网的电信号的相位相同，这时需要精确测量两列工频信号之间的相位差，相位差测量在工业自动化，智能控制、通讯及电子技术等许多领域有着广泛的应用。随着计算机软硬件的日益发展。在测试系统中，以数字信号处理为核心的软件法测量技术越来越多的得到广泛的用。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。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工频电压相位差测量仪。

一． 系统功能的确定及概念

1.1基本要求：

⑴ 能够快速准确的测量出相位差； ⑵ 精度较高；

⑶ 抗干扰能力强，不受被测信号幅值，频率的影响；

⑷ 稳定性较高。 1.2 相位和相位差的概念

相位和相位差是正相交流电的重要概念和技术参数。但是相位也不只是正弦信号的“专利”，非正弦周期信号同样具有相位，因为任何一个非正弦周期信号均可以被分解为一系列频率与初相不同的正弦信号。

相位说明谐波振荡在某一瞬时的状态。在数学上定义为正弦或余弦函数的幅角，其数学表达式为：)sin()(ϕω+=t A t v

式中, ϕ是初始角，ϕω+t 就是相位角,通常称为相位。

ϕωϕ+=t t )(

从式中可以看出相位是时间ｔ的线性函数。令ϕ1(t)、ϕ2(t)表示角频率为1ω2ω 的两个简谐振荡的相位，则有：

)()()()()()(21212121ϕϕωϕϕωωφφφ-+=-+-=-=t t t t t

从式中可以看出相位角是时间ｔ的函数。若ω1=ω2，即两个同频率的信号，则有：

21)(ϕϕφ-=t

显而易见,两个同频率的相位差为常数,由初始相位角之差确定。相位差反映了若干个正弦量之间的相位关系。同频正弦量的相位关系是：超前、滞后、同相、反相、正交。

当A 、B 两个频率相同的正弦信号电压波形同时增大，同时减小，同时为正半周，同时为负半周，同时达到正峰点，同时达到负峰点，这样的两种信号其相位相同，信号的相位差0 o ，称为同相信号。

当一个信号达到最大值时（正峰点），另一个达到最小值（负峰点），一个为正半周，一个为负半周，一个在增大时，另一个在减小，这样的两种信号其相位反相，信号的相位差180 o ，称为反相信号。

当信号A 达到最大值时，信号B 才为零，当信号A 为零时，信号B 为最大值，两个信

号之间的相位相差四分之一周期，即相差90 o ，称为正交信号。

当两个同频正弦量的计时起点（t=0）改变时，它们的相位和初相也随之改变，但它们的相位差不变，也就是说相位差与计时起点无关。这样，我们在比较几个同频正弦量的相位时，为方便起见，可以任意指定其中之一的初相为零，而把初相为零的正弦量叫做参考正弦量。

二． 方案论证 2.1 方案

方案一

基于异或门的测量方法

两路同频信号经过零比较后，得到两路同周期的方波。该两方波经异或后得到的脉冲宽度与信号周期的比值（占空比）即对应为两信号的相位差，这里的异或门相当于鉴相器。对脉宽信号的处理有以下两种方法。<1> 电压测量法；<2>数字计数法。 方案二

基于函数计算的测量方法 我们先从数学理论上计算相位差，假设信号A 为)cos(1αω+=t A S A ，信号B 为

)cos(2αω+=t B S B 。），其中A,B 分别为信号A 和信号B 的幅度, ω为角频率，1α,2α为信号A

和信号B 的初相位,两信号相乘可得

[])cos()2cos(2

)cos()cos(212121ααααωαωαω-+++=

++=t AB

t t AB S S B A 式中21ααα-=为所求相位差。把乘法运算结果中的二次谐波滤除，只剩下直流分量，设结果为M,可得到

)2arccos(

21AB

M

=-=ααα 此式是从理论上分析求出的相位差，而实际上输入的信号A 和信号B 都是带有各种谐波干扰的。这些干扰信号经过乘法运算之后会部分叠加到所求的直流分量上，因此在信号进行乘法运算之前和之后都要对两路信号进行数字滤波。由于滤波器参数可以根据用户对滤波器性能的要求任意设计，参数精度可得到严格保证，也没有因元件老化而影响精度的问题，因此可以使滤波环节给相位测量精度造成的影响减到最小。

方案三

基于单片机的相位差在线测量

使用单片机组建相位差检测系统, 利用单片机内部时钟及定时/ 计数器, 、快速的测定, 可广泛应用于各种实时系统之中。

2.2方案选定：

对于方案一：相位差测量方法的测量误差主要来自于对模拟信号的处理过程中，如模拟滤

波器在滤除干扰的同时由于元件参数的离散性，测量元件受环境的影响以及元件老化带来的影响都会引入测量误差；又如信号经过比较器时由于比较器门限电压的存在而造成测量误差，这些误差都很难准确估量，也很难消除。传统的相位差测量方法无法应用于要求精度高。

对于方案二：这种方法测量相位差的关键在于如何实现信号的乘法。传统的模拟乘法器存在非线性和不尽如人意的带宽限制。采用数字乘法器在把模拟信号转换成数字信号之后，仍然进行时域上的操作，显得有些舍本逐末。

对于方案三：。随着集成电路技术的发展、单片机的普及, 用单片机组成的相位差测量电路具有精度高、速度快、成本低的优点, 日益受到人们的重视。本相位差测量方法充分利用了MCS-51 系列单片机内部精确的时钟源及校正电路, 能进行在线检测、显示,大大提高了相位差的测试精度和速度。

所以综上所述，我们选用方案三。

三.AT89S51单片机概述

单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过几代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU 功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压低功耗。

对交通灯控制系统的设计，首先应对交通灯的核心控制芯片的基本结构和特征以及主要引脚有比较详细的了解。AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位 AT89S51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图。