基于单片机的相位测量仪电路设计(完整版)

第1章绪论

相位测量仪是电力部门、工厂和矿山、石油化工、冶金系统进行二次回路检查的理想的高精度仪表。尤其适用于电能计量、用电检查、继电保护、差动检测、电力建设和变送电工程等。是电力系统各部门的必备仪器之一。

1.1 课题研究背景

在电子测量技术中，相位测量时最基本的测量手段之一，相位测量仪式电子领域的常用仪器。随着相位测量技术广泛应用于科学研究、实验、生产实践等各个领域，对相位测量技术的要求也向高精度高智能化方向发展，在低频范围内，相位测量在电力、机械等部门具有非常重要的意义。

基于数字式相位测量仪的高精度、高智能化、直观化的特点，工业上常常用此进行低频信号相位差的精确测量。同频信号间相位差的测量在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、电子、地球物理勘探等许多领域都有着广泛的应用。尤其在工业领域中，相位不仅是衡量安全的重要依据，还可以为节约能源提供参考。

1.2 课题研究内容

1.2.1 相位测量

相位差的测量原理主要有三种：过零检测法——基于对信号波形的变换比较；倍乘法——基于对傅氏级数的运算；矢量法——基于对三角函数的运算。

过零点检测法是一种将相位测量变为时间测量的方法。其原理是将基准信号的过零时刻与被测信号的过零时刻进行比较，由二者之间的时间间隔与被测信号周期的比值推算出两信号之间的相位差．这种方法的特点是电路简单，且对启动采样电路要求不高，同时还具有测量分辨率高、线性好和易数字化等优点．

倍乘法：任何一个周期函数都可以用傅氏级数表示，即用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，倍乘法测量相位差所用的运算器是一个乘法器，2个信号是频

率相同的正弦函数，相位差为ϕ，运算结果经过一个积分电路，可以得到一个直流电压ϕ

k

V=，电路的输出和被测信号相位差的余弦成比例，因此其测量范围在45°cos

以内，为使测量范围扩展到360°，需要附加一些电路才可以实现．倍乘法由于应用了积分环节，可以滤掉信号波形中的高次谐波，有效抑制了谐波对测量准确度的影响．矢量法：任何一个正弦函数都可以用矢量来表示，如各个正弦信号幅度相等、频率相同，运算器运用减法器合成得到矢量的模2/

E

V=．矢量法用于测量小角

2ϕ

sin

度范围时，灵敏度较好，可行度也较高；但在180°附近灵敏度降低，读数困难且不准确．由于系统输出为一余弦或正弦函数，因此这种方法适用于较宽的频带范围。

上述3种测量相位的方法各有优势，从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看，过零检测法的输出正比于相位差的脉冲数，且易于实现数字化和自动化，故本研究采用过零检测法。

1.2.2 基本要求

本设计研究了一种可测20Hz-20kHz内任意频率数字式相位测量仪的设计方法。主要内容是以AT89C51为控制核心，实现对音频范围内的正弦交流信号的相位的测量，可测的信号相位差在0～360度范围内，测量精度可达0.1度。

两路信号（同频、不同相，一路为待测信号，另一路为参考信号）通过过零比较器电路整形成矩形波信号，再通过鉴相器，得到相位差信号。这样就构成了相位测量系统的测量电路。再将该相位差信号送入单片机的外部中断端口，通过单片机对数据的处理，最后方可得到所要测量的相位差，并在液晶上显示出测量结果。

第2章 方案论证

本设计中，相位测量仪主要是对被测网络的输入、输出信号的相位差进行测量。这样的两路待测信号为同频不同相的正弦交流信号，频率范围为20Hz-20kHz ，幅度为0V ～500V 。相位差测量的基本原理为：对信号波形的变换、比较及相关数学运算。即对于被测信号是同频不同相的两路正弦交流信号，为了准确地测量出该相位差，需要对输入信号的波形进行整形，本设计利用LM339组成整形电路，使输入信号变成矩形波信号，再经异或门组成的鉴相器电路，输出即为相位差信号，再结合单片机的数据处理功能，最后通过液晶即可显示出该相位差。由于单片机的工作电压在5V 左右，所以在进行相位测量前，还需将被测信号进行分档降压处理。

2.1 自动量程控制原理论证

本设计中，待测信号是0V ～500V 正弦交流信号，要想进行相位测量，则需先将该信号进行降压处理。常见的交流降压法有降压变压器降压法、电容降压法、电感降压法、纯电阻电路降压法，考虑到本设计中的降压过程不得引入新的相移，否则影响下一步的相位测量的精准度，此处选择最后一种方法，即纯电阻电路的降压法，该电路实现起来直观、简易且误差小。

本设计中，将待测信号分成三个档位：500V 、50V 、5V 。结合继电器的自动开关作用，即当待测信号的满足其中某一档位的指标时，则相应的被控电路导通，从而自动量程控制电路转入相位测量电路进行后续数据处理等功能。

2.2 相位测量原理论证

由数学关系可知，时间差和相位差有如下关系：

θθ:360:T T = （2.1） 由此可得：

360)/(⨯=T T θθ （2.2）

其中，θT 是相位差θ对应的时间差，T 是信号周期。

式2.2表明，相位差θ与时间差θT 有着一一对应的关系，只要通过测量时间差θT 及信号周期T ，就可以求得相位差θ，这就是相位差的基本测量原理。

显然，相位差θ的测量本质上是时间的测量。而时间的测量方法有很多种，本设计结合51单片机的特点，采用过零点检测法。其原理是将基准信号通过零的时刻与被测信号通过零的时刻进行比较，由二者之间的时间间隔推算出两信号之间的相位差。这种方法的特点是电路简单，对启动电路要求不高，同时该方法还具有测量分辨率高、线性好、易于数学化等优点。

将该相位差信号送入单片机的外部中断接口，对该信号的脉冲宽度进行计数，从而得到对应于相位差的时间差和周期，再根据上述求解相位差的公式便可得到所求，并由液晶显示最终测得的相位差。

第3章硬件设计

本章主要阐述了系统各单元的硬件电路设计思想及具体硬件组成，本设计共包括以下模块：单片机主控电路、显示电路、稳压电路、自动量程控制电路、AD转换电路、继电器驱动电路、超限报警电路及相位测量电路共8个部分。系统总体框图如图3.1所示。

图3.1 系统总体框图

3.1 主控电路设计

这部分是由单片机、晶振电路、复位电路组成。本设计中充分利用了单片机较强的运算能力和控制能力这一特点，使用单片机外部中断INT0、INT1接收外部送来的相位差信号，并在单片机内部完成相应的处理及相关运算。图3.2为AT89C51主控电路图。