单片机数字相位差计的设计

PAGE16XXXXXX项目式教学设计报告课程名称：电路综合设计项目名称：单片机数字相位差计的设计专业班级：学生姓名：指导教师：开课时间：报告成绩：评阅意见：评阅意见：评阅教师日期数字相位差计的设计与实现摘要随着数字电子技术的发展，由数字逻辑电路组成的控制系统逐渐成为现代检测技术中的主流，数字测量系统也在工业中越来越受到人们的重视。在实际工作中，常常需要测量两列频率相同的信号之间的相位差，来解决实践中出现的种种问题。例如，电力系统中电网合闸时，要求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之间的相位差。如果两列信号之间的相位差达不到相同，会出现很大的电网冲激电流，对供电系统产生巨大的破坏力，所以必须精确地测量出两列信号之间的相位差。本设计由STC89C51构成的最小系统，通过外围扩展，精确测量工频电压的相位差，采用LCD1602显示相位差，功耗小，精确度高，稳定性能好，读数方便且不需要经常调试。关键词：单片机、低频、相位差、LCD一、绪论1.1课题的意义众所周知，相位是交变信号的三要素之一，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参数。相位差的测量是电气测量的一项基本内容，其含义为测量两个同频率周期信号的相位差值。例如某一电路系统输入信号与输出信号之间的相位差，三相交流电两个相电压或两个线电压之间的相位差，相电压与相电流之间的相位差等。又如，在自动控制理论中，系统的相频特性为在不同频率正弦信号作用下，系统的输出信号与输入信号之间的相位和频率的函数关系。此外，同频率正弦信号的相位差测量在工业自动化、智能控制及通讯电子等许多领域都有着广泛的应用。如电工领域中的电机功角测试，等等。因此相位差的测量是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。1.2课题要求本设计研究了一种可测20Hz-20kHz内波形（正弦波、三角波、矩形波）数字相位差测量仪的设计方法。主要内容是以STC89C51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。两路信号（同频、不同相）通过过零比较器电路整形成矩形波信号，再通过鉴相器，D触发器二分频得到相位差信号。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。二、相位测量方案论证与选择2.1设计方案论证限幅放大器1限幅放大器2脉冲限幅放大器1限幅放大器2脉冲整形1脉冲整形2鉴相器滤波A\D转换u1(t)u2(t)图2-1相位电压转换测量法的原理图相位--电压转换式数字相位计的原理框图如图2-1设、为频率相同、相位差为的两个被测正弦信号，经限幅放大和脉冲整形后变成两个方波，再经过鉴相电路（如异或鉴相），输出周期为T，宽度为的方波，若方波幅度为，则此方波的平均值即直流分量为=。因此，用低通滤波器对方波进行平滑滤波后，输出电压即为直流电压。上式中T为被测信号的周期，由两信号的相位差决定，即=。所以与的关系为：=*T，代入上式，得=，若A/D转换的量化单位取为/，则A/D转换结果即为的度数。方案2：通过倍频电路实现相位差的测量先通过比较电路将两路同频信号分别转换为相应的脉冲信号，然后将其中的一路信号通过反相器取反后与另一路信号相与，得到一等脉宽的脉冲波形，此脉冲波形的脉宽t，即表示两信号的相位差。将原信号对应的任意一路脉冲信号（周期为T）倍频后，作为单片机计数器的计数脉冲，并对相位差脉冲记数脉冲周期为T/A，可得到两信号相位差计算公式如下：Q=360Xt/T=360*W*（T/A）/T=360*W/A=W*N其中N=360/A，N为常数，是相位测量系统的最小精确度。经过单片机系统编程即可实现此简单运算式，并将运算结果Q送LED显示。原理图如图2-2：整形整形整形相位差倍频单片机显示图2-2倍频电路实现相位差原理图方案3：相位一时间转换法此方案的基本原理是：先分别将被测信号和经过相移网络后的信号通过过零比较器整形成TTL电平方波，然后通过时间间隔内的计数测量，得到相位差。其中不同的计数方法也是各有利弊，举例如下：（1）采用单片机内部中断和计数器测量。将两路信号分别通过放大、整形、过零比较，然后分别输入单片机得两个外部中断，一个中断开启定时器，另一个中断关闭定时器，通过读定时器值即可计算得相位差。这个方案采用的外部器件较少，电路简单信号1信号1信号2整形1整形2鉴相器单片机系统LCD显示非门图2-3利用单片机计数器的测量法MCS—51单片机的51子系列有两个定时器/计数器，分别记为T0或T1。每个定时器/计数器有一个外部输入端（T0和T1）、一个十六位的二进值加法计数器（TH0、TL0和TH1、TL1）以及两个内部特殊功能寄存器TMOD和TCON。TMOD用于选择计数器、控制计数信号的输入和定义计数器的工作方式。TCON用于控制计数信号的输入和计数器的溢出。但是，51系列的单片机速度较慢，在被测信号频率较高时，测得相位差的绝对误差比较大。（2）采用较高频率的外部晶振计数测量。同样将两路信号分别通过放大、整形、过零比较，再将两路整形后的信号输入D触发器，经过“异或”操作，得到可以反映相位差的宽脉冲。然后在宽脉冲的时间单元内，对高频的晶振信号进行计数，并将计数结果送入单片机进行数据处理，最后在显示模块中显示相位信息。正弦信号正弦信号高频晶振移相网络电压比较器1电压比较器1鉴相鉴相计数计数单片机系统显示键盘图2-4利用外部晶振计数的测量法2.2设计方案选择方案三（1），此方法应用硬件少，结构简单，虽然51系列的单片机速度较慢，在被测信号频率较高时，测得相位差的绝对误差比较大，但本设计被测信号是低频信号，测得相位差的误差很小，满足设计要求。所以可以看出后者更具优势。故本次设计采用第三种(1)方案。三、系统具体实现3.1系统概述3.1.1系统总体硬件框图及说明LM339LM339比较整形LM339比较整形二分频二分频鉴相器单片机系统LCD显示非门图3-1相位差系统总体设计框图输入信号A输入信号BD触发器（超前\滞后）D触发器（超前\滞后）LED整个系统由放大整形电路，鉴相电路，分频电路，单片机及LCD组成。放大整形电路：为减小两路被测信号在测量电路中的附加相移引起的测量误差，两个通道采用相同的放大整形电路。该电路由两个高性能的集成运算放大器组成，集成运放LM339用来对输入信号进行放大，以适应测量微弱信号。LM339在电路中组成施密特电压比较器，用于检测正弦信号的零点，当输入端信号>0时,LM339输出高电平;当输入端信号<下限电平时,输出低电平。由于LM339输出脉冲上升沿始终对应于输入信号的过零时刻,下降沿对应于某一下限电平，所以当输入信号幅度变化时,下降沿时刻跟着变化,上升沿时刻始终不变，因此,能够比较快速准确的检测出信号的零点。鉴相电路由两个二分频和1个异或门组成。由图2-2，经二分频后的脉冲波形的宽度即为正弦波的周期，分频后的两路信号经过两输入异或门输出的脉冲宽度即为两路输入信号相位差对应的时间，由于此输出脉冲的上升沿和下降沿对应的都是整形后的脉冲的上升沿，而整形后的脉冲的上升沿不随输入的正弦信号的幅度改变而改变，所以当两路被测信号幅度相差较大时，此电路也可精确测量二者的相位差。超前\滞后判断电路由D触发器构成，LED指示灯显示。3.1.2系统软件框图本系统对核心测量电路——相位测量部分进行了详细的软件设计。该软件设计主要包括主程序的设计、中断服务子程序的设计、液晶显示程序的设计。首先要对相位差的测量过程有个基本的了解，待测信号输入相位测量电路，经过整形、鉴相一系列处理后，最终得到了相位差信号，将该相位差信号送入P3.2口（INT0），再将取反后的相位差信号送入P3.3口（INT1）。通过软件计数的方法对相位差信号的高电平和低电平分别计数10个，同时开启定时器，记录相应的时间。具体算法如下：

设相位差信号高电平的时间为t，低电平的时间为t，则相为

其中，相位差信号高电平的时间为t，通过INT1测得，因为INT1管脚接入的是相位差取反后的信号，而取反信号低电平的时间就是原信号高电平的时间，当外部中断INT1的中断服务子程序启动时，软件计数也同时开始了，定时器T0开始定时，没来一次下降沿，软件计数自动加1，知道计数值为10，关闭定时器T0，并记录此时所用时间，改时间相当于10倍的t；同理，相位差低电平的时间为t，通过INT0测得，相位差信号直接送了INT0口，所以记录INT0低电平的时间即为t，当外部中断INT0的中断服务子程序启动时，同样软件计数的方法，并结合定时器T1定时，最后可求得相当于10倍t的时间。再根据上式方可得到所测相位差，并通过液晶显示出来。初始化初始化开始t1和t2是否是非0显示当前相位差写入以下字符串“….”显示完成图3-2主程序流程图是否本设计用到了两个外部中断，二者原理相同，故此处不再赘述，以INT1中断服务子程序为例，流程图，如图3.3所示。3.2单元电路设计3.2.1电源模块电路设计本系统采用USB5v供电，具有方便简单，适用性强的特点，470uF电解电容起到去除电源低频波纹，稳定电源的作用；104电解电容做为滤波电容进行去除高频干扰。外部中断INT1入口外部中断INT1入口软件计数值a是否为0开启定时器T0定时器T0初始化计数值a自加A是否计数到10关闭定时器T0，a重新从0开始计数记录此时计数器的时间值返回图3-3INT1中断子程序框图是否是否3.2.1相位差整形电路设计被测信号是周期相同、幅度和相位不同的两路正弦信号，为了准确地测量出正弦信号的相位差，需要对输入波形进行整形，使输入信号变成矩形波信号，并送给鉴相器进行处理。另外，在相位差测量的过程当中，不允许两路被测输入信号在整形输入电路中发生相对相移，或者应该是的两路被测信号在整形输入电路中引起的附加相移是相同的，因此，我们对A、B两路信号采用了相同的整形电路。同时，为了避免出现被测信号在过零点时含有干扰，我们选用施密特触发器组成的整形电路。由于施密特触发器是在单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，因为正反馈的作用，它的门限电压随着输出电压U0的变化而变化，从而使施密特触发器有两个门限电压，所以可以提高输入电路的抗干扰能力。如图3-4所示，电路中我们使用两个施密特触发器对两路被测输入信号进行整形。在图中，比较器LM339连接成了施密特触发器的形式。为了保证输入电路对相位差的测量不带来误差，必须保证两个施密特触发器的两个门限电平对应相等，这可以通过调节电位器R7和R13来实现。图3-4相位差整形分频电路3.2.2分频电路二分频电路由74LS74双向D触发器构成，把需要分频的信号接CLK，输出/Q反馈到输入D端。CLR和PR是清零，都是低电频有效。连接如图3-4。3.2.3鉴相电路设计图3-5相位差鉴相电路鉴相器就是异或门电路，假设在鉴相器的两端输入整形分频之后的波形Ug、Uh中，异或之后正脉冲宽度就是Ug和Uh相位差所对应的时间差T，由此可见，鉴相器在相位测量电路中起到了测量时

间差的重要作用。。3.2.4相位超前/滞后电路设计相位超前/滞后电路如图3-5，电路中使用了74LS74双向D型触发器。通过电压比较器LM339整形，D触发器二分频之后的两路信号输入74LS74双向D型触发器的独立数据端D和时钟端C，当信号A超前于信号B时，74LS74的独立数据端的输入方波信号也超前于时钟端的输入方波信号，那么时钟的第一个上升沿到来时，独立数据端处在高电平，根据74LS74的真值表，输出Q端为高电平，Q端为低电平，发光二极管1亮，并且随后所有的时钟信号的上升沿到达时，独立数据端都处在高电平，Q端保持高电平不变。当信号A滞后于信号B时，时钟的上升沿到来时，独立数据端处在低电平，则输出Q为低电平，输出Q为高电平，二极管2亮，并且随后所有的时钟信号的上升沿到达时，独立数据端都处在低电平，Q端保持高电平不变。这样根据哪一个二极管发光就可以判断出被测的两个同频信号的超滞相关系了。3.2.5电路如图所示，这部分是由单片机、晶振电路、按键复位电路和LCD显示电路等组成。在设计中，我们充分利用单片机具有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接收外部送来的对应于被测信号的时间、周期差，并在单片机内部完成相应的处理及相关运算。并由单片机完成LCD1602液晶屏的驱动工作，最后有液晶屏显示所测相位差。图3-6单片机系统电路3.3仿真与分析3.3.1移相网络仿真在模拟实验平台Multisim中产生同频不同相的两路信号比较困难，所以在电路仿真时设计移相网络电路，以便于电路的仿真操作和分析，仿真电路如图图3-7移相网络仿真结果如图移相信号参考信号图3-8移相网络仿真图3.3.2图3-9整形电路仿真图3.3.3图3-10鉴相电路仿真图3.4整体电路系统安装调试过程3.4.1硬件调试在进行调试时，首先对硬件进行静态调试，静态调试的目的是排除明显的硬件故障，在集成电路原件未插入电路板之前，必须用万用表仔细的测线路，检查连接是否正常，防止电源短路。重点检查电源和信号线之间的连接，公共点（地）是否正常连接。在排除所有的线路错误之后，接上电源，用万用表测量加在各集成电路插座芯片上的电压，极性是否正确，特别要注意单片机插座的各点电位，若电压过高，会损坏器件；电压过低，电路不能正常工作。同时要注意芯片的方向，不要插反。通电后发现到某原件有过热现象，必须马上断电重新检查，尤其是电源电路，一旦出现问题，将会影响整个硬件系统的工作与安全。为慎重起见，可以分块插入原件，避免大面积损坏器件。通电后接入待测信号，检查各模块是否实现功能，与仿真结果相对比，如果发现问题，重新检测排除每个模块出现的问题，直至符合要求，才算整个电路系统的调试。3.4.2波形整形系统的抗干扰分析基于外部纯硬件设计的波形整形系统的可靠性是由多种因素决定的，系统的抗干扰性能是系统的可靠性指标，这种应用系统在工业场合中使用，不仅如此，在实验调试时，周围的其他设备，如示波器等的工作也会给整个系统带来无法预知的干扰，造成测量错误。针对以上问题，本课题采用了一些必要的抗干扰措施，下面介绍这些抗干扰措施。元器件选择构成电路的基本单元是元器件，选择合适的元器件是抑制干扰的基本保证，为此电路中采用金属膜电阻，尽量缩短连线长度；高频电路中，采用云母电容或陶瓷电容；在电源去耦和滤波电路中，采用电解电容。电路设计在实际模拟电路时，对输入信号加设模拟滤波电路，将模拟电路和数字电路分开一定的距离安装，模拟信号和数字信号在电路板上划分不同的区域布置，以防止他们之间相互干扰。在设计数字电路时在数字集成电路的电源和地之间并入一个去耦电容。印刷电路板制作注意事项=1\*GB3①减少辐射干扰在集成电路附近增设旁路电容退耦，以降低电源线阻抗，缩小点流环路，使电路工作稳定。=2\*GB3②抑制电源线和地线阻抗引起的震荡每个集成电路的电源和地线之间接旁路电容，缩短开关电流的流通途径；将电源和地线布局成网络状，缩短线路回路；将电路板空的地方尽量铺上地线，电源线比信号线相对要设计粗一些，宽度在30mil以上。=3\*GB3③合理的布线和走线由于电路板为双层线路板，在布线时应尽量一面为水平走线，另一面为垂直走线，在线路必须折向时，以45为宜，90会增加电压驻波；线路的粗细由线路的功能来定。3.4.31、两输入信号的相位差为或360当两输入信号的相位差为或360时，异或门输出始终为低电平，这样计数器T0和T1就一直没有启动，即计数器TH1、TH0中的值为0，那么经过计算后的值也为0，表示两输入信号同相。2、两输入信号的相位差为180当两输入信号的相位差为180时，异或门输入的信号始终为高电平，将导致定时/计数器T1始终处在工作状态，这会使定时/计数器T1所计数的脉冲个数大于65536个，产生计数溢出中断。3.5.测量结果及误