存档日期：存档编号：
本科生（）
题目：基于FPGA和MCU的相位测量仪的设计
学院：电气工程及自动化学院
专业：电气工程及其自动化
XX大学教务处印制
随着社会和历史的不断进步，相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在低频范围内，数字式相位测量仪因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。
本文首先论述了相位测量技术的国内外发展概况，并根据现状设计了此相位测量系统。该设计包括系统设计的理论分析，系统结构设计及硬件实现，最终验证了该测量系统的可行性和有效性。
该设计采用单片机与FPGA相结合的电路实现方案,很好地发挥了FPGA的运算速度快、资源丰富、编程方便的特点,并利用了单片机的较强运算、控制功能,使得整个系统模块化、硬件电路简单、使用操作方便。文章主要介绍设计方案的论证、系统硬件和软件的设计,给出了详细的系统硬件电路图和系统软件主程序流程图。
关键词: 数字式相位测量仪单片机 FPGA 设计方案
Along with the social and historical progress, phase measurement technology is widely used in national defense, scientific research, production and other fields, on the phase measurement requirements are also gradually to high precision, high intelligent direction, in the range of low frequency digital phase measurement instrument, because of its high precision measurement resolution and highly intelligent, intuitive characteristics have been more and more widely applied.
This text first discusses the phase measuring technology development in domestic and international, and according to the present situation designs the phase measuring system. The design includes system design theory analysis, system structure design and hardware realization, finally verified the feasibility and validity of the system.
The bination of MCU and FPGA is adopted in the design .It has the features of FPGA high operating speed, abundant resources and convenient programming. And the use of MCU’s strong operation and control function, which makes the whole system modularized, the hardware circuit is simple and the operation is convenient. The paper mainly introduces the designs of the demonstration, hardware and software, the hardware circuits and main software program are given in detail.
Keywords:Digital phase measuring instrument MCU FPGA Design strategy
目录I
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
随着社会和历史的不断进步，科学技术突飞猛进的发展，电子技术广泛应用于工业、交通、国防、科研、生产等各个领域，而相位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。对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展。在低频范围内，相位测量在电力、机械等部门有着尤其重要的意义，对于低频相位的测量，用传统的模拟指针式仪表显然不能够满足所需的精度要求，随着电子技术以及微机技术的发展，数字式仪表因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。
相位差是工业测控领域经常需要测量的参数，如电力系统中功率因数的测量、铁路系统中相敏轨道电路相位差的测量以及科氏质量流量计中的相位差测量等等。而相位差的测量又不同于传统的电压、电流信号或物位、温度量的测量。首先，相位差信号依附于电压、电流信号中，如何剔除电压、电流、频率变化对相位差测量的影响是相位差测量中很重要的一个方面；其次相位差是一个比较量，测量两路信号之间的相位差不仅需要保证两路信号的频率相同，而且要排除由于两路信号的幅值等其它因素不一致而对测量造成的影响。因此，如何准确可靠地测量相位差是值得研究的课题[1]。
相位测量仪的用途极为广泛，可以测量两电压、两电流及电压电流之间的相位，是电力部门、工厂和矿山、石油化工、冶金系统正确把握电力使用情况的理想仪表。相位测量仪可应用于变压器件生产厂，收录机，电视机，整机生产厂或有关科研单位，作为产品验收，检验，样品分析的测试仪器，是提高产品质量和工作效率的最佳辅助工具。
1.2 国内外发展动态
经过几十年，特别是近十几年的建设与发展，我国仪器仪表行业已经初步形成产品门类品种比较齐全，具有一定生产规模和开发能力的产业体系，成为亚洲除日本以外第二大仪器仪表生产国。而数字化测量技术则已经成为数字化制造技
术的一个不可或缺的关键组成部分，采用适度先进的信息化数字测量技术和产品来迅速提升我国装备制造业水平，是当前一个重要的发展方向。
传统的测量方法很多，有示波器测量法，可变延迟法，基于数据采集板的相位测量新方法，将相位差转化为时间间隔法，电压测量法，示零法等。
通常的测量方法是对两路输入信号进行处理，应用过零检测的方法使其变换成两个方波，然后对这两个方波进行比较得到鉴相脉冲，即相位差脉宽。再由鉴相脉冲来控制计数器的关停，即用高频时钟脉冲去填充两个信号的相位差，从而实现相位差的测量。
相位的数字测量方法基本分为硬件电路测量和A/D采样后利用软件计算两种。硬件法测量由于电路结构比较复杂、易受外界干扰影响以及准确度较差的缺点，限制了它的进一步发展。近年来，随着计算机软硬件及其外围设备的日益发展，以数字信号处理为核心的软件法测量技术在相位差的测量中得到了越来越多的关注，并取得了较快的发展。
FPGA是20世纪90年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着EDA（电子设计自动化）技术和微电子技术的进步，FPGA在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景；并且FPGA具有高集成度、高可靠性，几乎可将整个设计系统下载于同一芯片中，从而大大缩小了电路的体积[2]。
目前，单片机的主流仍然是8位高性能单片机。其发展具体体现在CPU功能的增强，内部资源的增多，引脚的多功能化、低电压、低功耗等方面。单片机的发展是为了满足不断增长的自动检测、控制的要求，具体体现在传感器的接口、各种工业对象的电气接口、功率驱动接口、人机接口、通信网络接口等。这些接口性能的发展体现在高速的I/O能力、程序运行监控能力、信号实时处理能力等。总之，单片机将向高性能、高可靠性、低电压、低功耗、低噪音、低成本的方向发展[1]。
现在采用单片机与FPGA相结合的电路实现方案,很好地发挥了FPGA运算速度快、资源丰富、编程方便的特点,并利用了单片机较强的运算、控制功能,使得整个系统模块化、硬件电路简单、使用操作方便。而且可以很好地完成该设计所要求的各项指标。
1.3 课题设计任务
设计一个低频数字式相位测量仪，要具有频率测量和数字显示功能，并且要求能提高测量、显示精度和系统稳定性，使显示结果更加精确。其设计示意图如图1-1所示。
图1-1 相位测量仪示意图
该设计要满足的要求有：频率范围：20HZ—20KHZ、相位测量仪的输入阻抗≥100ΚΩ、允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V—5V范围内变化、相位测量绝对误差≤2°、具有频率测量及数字显示功能、相位差数字显示：相位读数为0—359.9°，分辨率为0.1°。
2 设计方案论证
从功能角度来看，相位测量仪要完成信号频率的测量和相位差的测量。相位测量仪有两路输入信号，也就是被测信号，它们是两个同频率的正弦信号，频率范围为20HZ —20KHZ （正好是音频范围），而这两个被测信号的幅度分别为Up-p=1V —5V （可以扩展到0.3V —5V ），但两者幅度不一定相等。
不妨令两个同频率的正弦信号为
)
sin()()sin()(02220111?ω?ω+=+=t A t A t A t A m m ，则相位差
02010201)()(???ω?ωθ-=+-+=t t ，由此可以看出，相位差在数值上等于初相位之差，θ是一个角度。
令θωθT =，式中θT 是相位差θ对应的时间差，且令T 为信号周期，则有
T
T θ
θ=
×360°，由此可以看出，相位差θ与θT 有一一对应的关系，我们可以通过测量时间差θT 及信号周期T 而计算出相位差θ，这就是相位差测量的基本原理。因此，相位差的测量本质上就是时间的测量，而时间的测量就要用到电子计数器[5]。
时间的测量方法有很多种，而本设计关于相位测量仪的技术指标要求会影响到我们对方案的选择。我们知道，MCU 应用系统一般能较好地实现各种不同的测量和控制功能，但有的时候却达不到设计要求的技术指标。而FPGA 具有集成度高，I/O 资源丰富，稳定可靠，工作速度快，可现场在线编程等优点，往往能满足一些设计要求比较高的技术指标。因此，人们在进行电子系统设计的时候，用MCU 实现系统功能，FPGA 完成系统指标。
2.1 以MCU 为核心的实现方案
以单片机为核心的相位测量仪的原理框图如图2-1所示。
图2-1 以MCU 为核心的相位测量仪的原理框图
两路待测信号经电路整形后变成了矩形波信号Ⅰ、Ⅱ，而且Ⅰ和Ⅱ是同频率但不同相位的矩形波。
MCU 对信号频率的测量可以采用直接测量频率法和测量周期法。当信号频率较高时，我们一般采用直接测量频率的方法，而信号频率较低时，则采用测量周期的方法。
（1） 直接测频率的方法测信号频率
用定时器/计数器1T 对外部事件计数，并让定时器/计数器0T 定时1s ，只有在这1s 内1T 启动对外部事件（即信号Ⅰ）计数，1T 的计数值就是待测信号的频率。
（2） 测周期的方法测量信号频率
对信号Ⅰ进行二分频，分频后高电平的宽度正好对应信号Ⅰ的周期，我们将此高电平信号作为MCU 内部定时器的硬件启动/停止信号，便可测得周期T ，再由公式T
f 1
=
，计算得到频率f 。 在对相位差进行测量时，我们采用的是测量信号Ⅰ、Ⅱ相位差所对应的时间差θT ，再根据公式
θωθT = （2-1）
通过计算求出相位差θ。
MCS-51系列单片机芯片内部集成了两个16位的硬件定时器/计数器，他们
是0T 、1T ，均是二进制加法计数器，当计数器计满回零时能自动产生溢出中断请求，表示定时时间已到或计数已终止。MCU 芯片内部的硬件定时器/计数器有3个特点：定时器/计数器可以与CPU 并行工作；定时器/计数器可以采用中断方式与系统协调工作；定时器/计数器可以由软件或硬件控制启动或停止。
单片机的定时器/计数器受TMOD 及TCON 的控制，如图2-2所示。 TMOD
TCON T1 T0
图2-2 TMOD 及TCON 的控制
（1） 若GATE=0，则由i TR 控制定时器/计数器的启动和停止。
（2） 若GATE=1，i TR =1，则由i T N I 引脚的外部信号控制定时器/计数器的启动
和停止。
（3） 若GATE=1，则由i TR 和i T N I 引脚的外部信号混合控制定时器/计数器的启
动和停止。
我们让定时器/计数器工作在定时工作方式，其计数器对内部机器周期进行加1计数，而定时器/计数器的工作启动、停止则采用外部硬件控制。
该方案实现的电路图如图2-3所示，该电路由整形电路、门电路、单片机等部分组成，由定时器/计数器0T 、1T 分别测量周期和时间差。
图2-3 MCU 测量时间差和周期的电路图
需要说明的是，本系统要由软件创建一个标志位2FH.1，当输入引脚P3.6=0时，CPU 置位标志位2FH.1，而当P3.6=1时，CPU 在读取时间差数据后清零标志位2FH.1。在引脚P3.6的信号高电平期间CPU 读数据一次，标志位2FH.1用于保证在P3.6=1期间只读一次数据。
再设计MCU 的软件时，系统要连续3次测量时间差和周期，每一次测量时间差和周期占用两个待测信号周期T 的时间。MCU 在处理数据（数字滤波、计算、数据显示、键盘处理）期间，使用软件停止定时器工作。显示部分采用UART 方式0串行送数据给74LS164，由74LS164驱动LED 数码管显示，这样可以减轻CPU 的负担（相对动态扫描而言）。键盘处理实际上就是一个按键1S 切换显示不同的内容，即显示频率或相位差[5]。
系统主程序是一个顺序执行的循环程序，其流程图如图2-4所示。子程序SUB1完成的功能是：执行3次测量时间差和周期，并保存到内存中，子程序SUB1的流程图如图2-5所示。因为第1次测量时间差和周期的起始时刻有一定的随机性，这是由于软件启动定时器/计数器0T 、1T 的时刻是随机的，因此定时器/计数器0T 、1T 第1次测得的时间差和周期是不准确的，所以舍弃不要。
图2-4 主程序流程图 图2-5 SUB1流程图
2.2 以MCU 和FPGA 相结合的实现方案
系统主要由现场可编程门阵列FPGA 和MCU 组成，其原理框图如图2-6所示。
图2-6 以FPGA 和MCU 相结合的相位测量仪电路
本设计采用单片机和现场可编程门阵列（FPGA ）作为数字相位测量仪的核心部分。考虑到FPGA 具有集成度高，I/O 资源丰富，稳定可靠，可现场在线编程等优点，而单片机具有很好的人机接口和运算控制功能，本设计拟用FPGA 和单片机相结合，来完成整个测控的主体部分。其中，让FPGA 实现两个待测信号相位差所对应的时间差的采集，而MCU 则负责读取FPGA 采集到的数据，并根据这些数据计算待测信号的相位差，同时把得到的信号频率和相位差送到LED 数码管显示[3]。
（1）FPGA 的工作情况
待测信号1和待测信号2经整形电路整形后，变为两个矩形波，令它们为A 、B 。并且，A 、B 是两个频率相同但是有相位差的矩形波。信号A 、B 进入FPGA 后，经过其处理获得以二进制形式表示的信号频率以及相位差所对应的时间差。
对频率的测量采用测周期的方法，即在信号周期T 时间内，对时标信号进行计数。设时标信号频率为0f ，时标信号周期为0T ，对信号A 二分频后的信号的高电平宽度就是信号周期T ，以此高电平宽度作为控制信号来控制计数器在时间T 内对0f 进行计数，则有
T f N =01/ （2-4）
则被测信号的频率为：
10//1N f T f == （2-5） 上式中，1N 是计数器的计数值，当0f 一定时，它的大小表示信号频率的大小。
相位差对应的时间差θT 的测量跟频率测量的方法类似，不过闸门控制信号为B A ⊕的高电平宽度，则有
θT f N =02/ （2-6）
因为相位差的绝对误差?≤?2θ，而FPGA 在测量θT 时有一个字的误差，对待测信号频率kHz f 20=而言，有
s
T μθ503602?=? （2-7） 可以得到 s T μθ278.0=，这就是说，FPGA 在采集相位差对应的时间差θT 时，至少要能分辨出s μ278.0的时间间隔。为了兼顾MCU 计算的方便和时标信号获得的方便，我们采用的是s T μ1.00=，即MHz f 100=的时钟脉冲作为时标信号。
当选定MHz f 100=后，就可以确定FPGA 采用的二进制数据的位数。对于待测信号频率Hz f 20=而言，1N 对应取最大值，因为Hz f 20=时，周期ms T 50=，在50ms 内对0T 计数，计数值为5000001.0/501==s ms N μ，然而，262144218=，
524288219=，所以有
191825000002<< （2-8） 故FPGA 的二进制数据位的位数应为19位。 （2）MCU 的工作情况
MCU 要从FPGA 中获得两种数据，这两种数据都是19位无符号二进制数。一种是被测信号周期T 所对应的二进制数据（单位是0.1s μ）；另一种是两个待测信号的相位差所对应的时间差θT （单位是0.1s μ）。这样一来，FPGA 和MCU 之间要有握手信号，因此设置两个握手信号DSEL 、FEN 。实际上，DSEL 和FEN 是MCU 发给FPGA 的控制信号，设置情况如下：
a. DSEL=0且FEN=1时，MCU 从FPGA 中读取19位的周期数据。
b. DSEL=1且FEN=1时，MCU 从FPGA 中读取19位的时间差数据。
c. FEN=0时，FPGA 内部电路不予理睬。
FPGA 的工作；二是对时所获得的数据进行处理（完全由软件实现）；三是将处理后的数据送给LED 数码管显示。由于送到LED 数码管显示的数据有频率和相位差两种，所以应设置一个按键开关，以便实现显示内容的切换。
2.3 两个设计方案的比较
上述所提出的以MCU 为核心的系统可以实现对频率的测量和对相位差的测量。但是，该系统不一定该设计所要求的技术指标。而且在同一个单片机应用程序中实现频率和相位差的测量，程序设计也相当复杂。
根据设计要求，输入信号频率范围是20HZ —20KHZ ，相位测量绝对误差≤ 2°在采用以MCU 为核心的设计相位测量仪时，令单片机的外接晶振为12MHZ ，则定时器/计数器的计数误差为正负一个机器周期，即±1μS 。
当输入信号频率kHz f 20=时，输入周期则为s T μ50=，可以认为定时器/计数器的计数误差为±1个字。此时的相位绝对误差为7.2°，其计算过程如下：
θμμ?=?:1360:50s s （2-2）
由公式（2-2）可以推导出
?=÷??=?2.750)1360(s s μμθ （2-3） 同理，若外接晶振为24MHZ 时，相位差绝对误差为?=?6.3θ。这不满足相位测量绝对误差≤2°的要求。所以以单片机为核心的设计方案当待测信号频率较高时很难满足设计要求。
以FPGA 和MCU 相结合的设计方案中，让FPGA 实现两路待测信号的相位差所对应的时间差的采集，而MCU 则负责读取FPGA 采集到的数据，并根据这些数据计算待测信号的相位差，同时把得到的信号频率和相位差送到LED 数码管显示。
FPGA 在采集相位差对应的时间差θT 时，至少要能分辨出s μ278.0的时间间隔。为了兼顾MCU 计算的方便和时标信号获得的方便，我们采用的是s T μ1.00=，即MHz f 100=的时钟脉冲作为时标信号。
FPGA的工作；二是对时所获得的数据进行处理（完全由软件实现）；三是将处理后的数据送给LED数码管显示。
这种设计方案发挥了单片机控制运算能力强的特点，同时也充分的利用了FPGA数据采样速度快、资源丰富的特点。将数据采集交FPGA完成，可以准确的采集到两个同频正弦信号的相位差所对应的时间差以及信号的周期，从而提高了系统的可靠性。由于单片机具有较强的运算、控制能力，因此，我们使用单片机最小系统完成读取FPGA的数据，并根据所读取的数据计算待测信号的频率及两路同频信号之间的相位差，同时通过功能键切换，由显示模块可以显示待测信号的频率和相位差。所以，我们最终采用以FPGA和MCU相结合的设计方案。
3 系统硬件设计
本设计采用FPGA和MCU相结合的方案来完成低频数字式相位测量仪的设计。单片机与FPGA相结合的方案，将系统的硬件部分分为数据采样处理和单片机最小系统两部分。
3.1 输入模块设计
而被测信号是周期相同，幅度和相位不同的两路正弦信号，所以为了准输入电路起到波形变换及整形的作用。由于FPGA对脉冲信号比较敏感，为了准确的测量出两路正弦信号的相位差及其频率，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FPGA进行处理。
我们知道，通常情况下，输入信号往往会含有干扰，这样单门限电压比较器的整形电路整形就不太准确。由于有干扰信号，导致单门限电压比较器在输入信号过零点时会产生多次触发翻转的现象，这样就会导致FPGA采集数据（计数）不准确，从而使单片机无法计算出正确的被测信号的频率和相位差的数值。
在相位差测量过程中，不允许两路被测信号在整形后发生相对相移，或者应该使得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，我们在对A、B两路信号整形时要采用相同的整形电路。为了避免被测输入信号在过零点时多次触发翻转的现象，我们决定采用由施密特触发器组成的整形电路。
施密特触发器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
U的变化而改变。因为施密特触发器有两的作用，它的门限电压随着输出电压
个门限电压，所以可以提高输入电路的抗干扰能力，其电路原理图如图3-1所示。电路中使用两个施密特触发器对两路被测输入信号进行整行，在图中，比较器LM339连接成施密特触发器的形式，为了保证输入电路在相位差测量的时候不会有误差，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R来使得两个施密特触发器的门限电平对应相等[3]。
电位器
8
U。
T
+
3.2 基于FPGA的数据采集模块设计
设计中，我们选择的是Altera公司的FPGA，芯片型号为EPF10K10LC84-4。本设计充分利用了FPGA可编程资源多、速度快、口线多、实时采样性好等特点。该芯片特点如下[5]：
1.高密度
典型门为30000个，可用门为119000个，逻辑单元为1728个，嵌入式阵列
XXXXXX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：
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 方案1：相位——电压转换法 相位--电压转换式数字相位计的原理框图如图2-1
目录 绪论 (1) 摘要 (2) 1 结构设计与方案选择 (3) 1.1 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 (4) 1.1.2 相位－时间法 (5) 1.2 方案的比较与选择 (6) 2 相位－时间法单元电路的原理分析与实现方法 (6) 2.1 前置电路设计与分析 (6) 2.1.1 放大整形电路的分析与实现 (6) 2.1.2 锁相倍频电路的分析与实现 (7) 2.2 计数器及数显部分的设计与分析 (9) 2.2.1 计数器部分的分析与实现 (9) 2.2.2 译码显示部分的分析与实现 (10) 3 结论 (12) 4 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。
辽宁工业大学 电子综合设计与制作（论文）题目：低频数字式相位测量仪 院（系）：电子与信息工程学院 专业班级：电子班 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间：2013.12.13-2014.1.10
电子综合设计与制作（论文）任务及评语
摘要 该设计是低频数字式相位测量仪，设计思路为输入一个低频正弦信号通过分支路正常输出，另一路不通过移相器输出一个相位改变频率不变的正弦波。得到上述两路频率相同相位不同的信号后就要测出两信号的相位差和频率，在做此工作前先要经过相位测量前置级信号处理电路，由阻抗变换和放大、限幅、电平转换、整形电路组成。经过相位测量前置级信号处理电路得到两路方波，通过异或门输出一个脉冲序列与晶振产生的基准脉冲波进行与操作得到调制后的波形，在一定的时间范围内对脉冲的个数进行计数通过计算得到相位差和频率。再通过单片机控制显示器显示出所需结果。 关键词：低频；正弦；移相器；异或门；整形；
目录 第1章可编程增益放大器设计方案论证 (1) 1.1可编程增益放大器的应用意义 (1) 1.2可编程增益放大器设计的要求及技术指标 (1) 1.3 设计方案论证 (2) 1.4 总体设计方案框图及分析 (3) 第2章可编程增益放大器各单元电路设计 (4) 2.1 输入调整电路设计 (5) 2.2 中间级放大电路设计 (5) 2.3 输出级电路设计 (5) 2.4 增益调整电路设计 (6) 第3章可编程增益放大器整体电路设计 (7) 3.1 整体电路图及工作原理 (7) 3.2 电路参数计算 (7) 3.3 整机电路性能分析 (8) 第4章设计总结 (9) 参考文献 (10)
_____________________ 个人资料整翌_仅限学习使用_ 基于单片机的相位差测试仪的研究 摘要 提出了一种基于8051单片机开发的低频数字相位差测量仪的设计。系统以单片机8051 及计数器，显示管为核心，构成完备的测量系统。可以对1Hz?1000Hz频率范围的信号进行 频率、相位等参数的精确测量，测相绝对误差不大于1°采用数码管显示被测信号的频率、相位差。硬 件结构简单，程序简单可读写性强，软件采用汇编语言实现，效率高。与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。 关键词：相位差；单片机；计数器；数码显示管 Designsof Low frequency Digital PhaseMeasurement Based on Single Chip Abstract A new ki nd of low - freque ncy digital phase measureme nt in strume nt is reside nted which is based on 8051.This is a complete system whose core is based on sin gle chip 8051 and arithmometer
and charactr on .It may measure the freque ncy and phase of the sig nal which beg in from 1 Hz to _____________________ 个人资料整翌_仅限学习使用_ 1000Hz, absolute error is not more than 1 The data are displayed on numeral displayer. Hardware structure is simple and software is realized by compiling Ianguage. Compared with traditional circuit, it has many adva ntages of faster process ing speed, good stability and high ratio betwee n property and price. Keyword: phase difference single-chip compute; . Arithmometer；charactron tube 目录
低频数字式相位测量仪 该系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三个模块构成,分别由两块单片机独立地实现控制与显示功能。采用ＤDS技术生成两路正弦波信号，并通过改变存储器中数据读取的起始地址来实现数字移相的功能,用Ф-T变换技术来实现相位差的测量,使得显示分辨率精确到0.０１o，测得的频率与相位差值送入LCＤ进行显示,加入红外键盘以及语音播报的功能，使得系统具有智能化、人性化的特色。 关键词:相位测量频率测量数字移相DDS语音播报 一方案论证与设计 1 相位测量方案 方案一：采用脉冲填充计数法。将正弦波信号整成方波信号，对两路方波信号进行异或操作之后输出脉冲序列的脉宽可以反映两列信号的相位差,以输入信号所整成的方波信号作为基频，经锁相环倍频得到的高频脉冲作为闸门电路的计数脉冲，由单片机对获取的计数值进行处理得到两路信号的相位差。 方案二:鉴相部分同方案一,将两路方波信号异或后与晶振的基准频率进行与操作，得到一系列的高频窄脉冲序列。通过两片计数器同时对该脉冲序列以及基准源脉冲序列进行计数,一路方波信号送入单片机外部中断口，作为控制信号控制两片计数器。得到的两路计数值送入单片机进行处理得相位差值。 对以上方案进行比较，方案一在所测频率较高时,受锁相环工作频率等参数的影响会造成相位差测量的误差，采用方案二由高精度的晶振产生稳定的基准频率,可以满足系统高精度、高稳定度的要求。 ２频率测量方案 方案一：用专用频率计模块来测量频率,如ＩＣM7216芯片,其内部带放大整形电路，可以直接输入正弦信号，外部振荡部分选用一块高精度晶振和两个低温度系数电容构成1０MHｚ振荡电路，其转换开关具有０.01s,0.1s，1s,10s四种闸门时间,量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果。该方案外围硬件电路较为复杂。 方案二:利用可编程计数器来实现频率的测量，将被测信号转换为方波信号输入可编程计数器825４的某一路Clｋ端口，并将Gate端置为高电平，利用单
存档日期：存档编号： 本科生（） 题目：基于FPGA和MCU的相位测量仪的设计 学院：电气工程及自动化学院 专业：电气工程及其自动化 XX大学教务处印制
随着社会和历史的不断进步，相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在低频范围内，数字式相位测量仪因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。 本文首先论述了相位测量技术的国内外发展概况，并根据现状设计了此相位测量系统。该设计包括系统设计的理论分析，系统结构设计及硬件实现，最终验证了该测量系统的可行性和有效性。 该设计采用单片机与FPGA相结合的电路实现方案,很好地发挥了FPGA的运算速度快、资源丰富、编程方便的特点,并利用了单片机的较强运算、控制功能,使得整个系统模块化、硬件电路简单、使用操作方便。文章主要介绍设计方案的论证、系统硬件和软件的设计,给出了详细的系统硬件电路图和系统软件主程序流程图。 关键词: 数字式相位测量仪单片机 FPGA 设计方案
Along with the social and historical progress, phase measurement technology is widely used in national defense, scientific research, production and other fields, on the phase measurement requirements are also gradually to high precision, high intelligent direction, in the range of low frequency digital phase measurement instrument, because of its high precision measurement resolution and highly intelligent, intuitive characteristics have been more and more widely applied. This text first discusses the phase measuring technology development in domestic and international, and according to the present situation designs the phase measuring system. The design includes system design theory analysis, system structure design and hardware realization, finally verified the feasibility and validity of the system. The bination of MCU and FPGA is adopted in the design .It has the features of FPGA high operating speed, abundant resources and convenient programming. And the use of MCU’s strong operation and control function, which makes the whole system modularized, the hardware circuit is simple and the operation is convenient. The paper mainly introduces the designs of the demonstration, hardware and software, the hardware circuits and main software program are given in detail.
低频数字式相位测量仪（C 题） 一、任务 设计并制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分，示意图如下： 二、要求 1、基本要求 （1）设计并制作一个相位测量仪（参见图1） a ．频率范围：20Hz ～20kHz 。 b ．相位测量仪的输入阻抗≥100k 。 c ．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V ～5V 范围内变化。 d ．相位测量绝对误差≤2°。 e ．具有频率测量及数字显示功能。 f ． 相位差数字显示：相位读数为0o ~359.9o ，分辨力为0.1°。 （2）参考图2制作一个移相网络 a ．输入信号频率：100Hz 、1kHz 、10kHz 。 b ．连续相移范围：－45°～＋45°。 c ．A ＇、B ＇输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V ～5V 范围内变化。 2．发挥部分 （1）设计并制作一个数字式移相信号发生器（图3），用以产生相位测量仪所需的输入 图3 数字式移相信号发生器 图1 相位测量仪
正弦信号，要求： a．频率范围：20Hz～20kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。 b．A、B输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。 c．相位差范围为0～359°，相位差步进为1°，相位差值可预置。 d．数字显示预置的频率、相位差值。 （2）在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输入正弦电压峰-峰值至0.3V～5V范围。 （3）用数字移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位差值和不同幅度进行校验。 （4）其它。 三、评分标准 四、说明 1、移相网络的器件和元件参数自行选择，也可以自行设计不同于图2的移相网络。 2、基本要求（2）项中，当输入信号频率不同时，允许切换移相网络中的元件。 3、相位测量仪和数字移相信号发生器互相独立，不允许共用控制与显示电路。
JJG 47~1990 抖晃仪检定规程 JJG 48~1990 硅单晶电阻率标准样片检定规程 JJG 64~1990 超低频信号发生器检定规程 JJG 66~1990 高频电容损耗标准试行检定规程 JJG 69~1990 高频Q标准线圈试行检定规程 JJG 120~1990 波形监视器检定规程 JJG 121~1990 视频杂波测试仪检定规程 JJG 122~1986 DO6型精密有效值电压表检定规程 JJG 123~1988 直流电位差计检定规程 JJG 124~1993 电流表、电压表、功率表及电阻表检定规程 JJG 125~1986 直流电桥检定规程 JJG 126~1995 交流电量变换为直流电量电工测量变送器检定规程JJG 127~1986 HP4191A型高频阻抗分析仪试行检定规程 JJG 137~1986 CC-6型小电容测量仪检定规程 JJG 138~1986 CCJ-IC型精密电容测量仪检定规程 JJG 153~1996 标准电池检定规程 JJG 163~1991 电容工作基准检定规程 JJG 166~1993 直流电阻器检定规程 JJG 169~1993 互感器效验仪检定规程 JJG 173~1986 XFC-6A型标准信号发生器检定规程 JJG 183~1992 标准电容器检定规程 JJG 183~1992 标准电容器检定规程
JJG 218~1991 电感工作基准检定规程 JJG 230~1980 XFD-7A型低频信号发生器试行检定规程 JJG 242~1995 特斯拉计检定规程 JJG244-2003 感应分压器检定规程 JJG 250~1990 电子电压表检定规程 JJG 251~1997 失真度测量仪检定规程 JJG 252~1981 RS-2及RS-3型校准接收机检定规程 JJG 253~1981 用Д1-2型衰减标准装置检定衰减器检定规程JJG 254~1990 补偿式电压表检定规程 JJG 255~1981 三厘米波导热敏电阻座检定规程 JJG 256~1981 DYB-2型电子管电压表检定仪检定规程 JJG 262~1996 模拟示波器检定规程 JJG 278~2002 示波器校准仪检定规程 JJG 279~1981 WFG-IB型高频微伏表检定规程 JJG 280~1981 M4-1（MTO-1）型标准热敏电阻桥检定规程JJG 281~1981 波导测量线检定规程 JJG 282~1981 同轴热电薄膜功率座检定规程 JJG 303~1982 频偏测量仪检定规程 JJG 307~1988 交流电能表（电度表）检定规程 JJG 308~1983 超高频毫伏表检定规程 JJG 313~1994 测量用电流互感器检定规程 JJG 314~1994 测量用电压互感器检定规程
专业方向课程设计报告 课题名称：数字式相位差测试仪姓名： 学号： 班级： 专业： 归口系部： 起迄日期: 指导教师: 提交报告日期: 2015年12月18日
数字式相位差测试仪 目录 一、设计任务和目的 _________________________________ - 1 - （一）设计任务 ___________________________________ - 1 - （二）设计目的 ___________________________________ - 1 - 二、设计要求 ________________________________________ - 1 - 三、工作原理 _______________________________________ - 1 - 四、设计框图 _______________________________________ - 2 - 五、主要参考器件（软件仿真，用Proteus） ____________ - 2 - 六、各模块电路分析 _________________________________ - 3 - （一）移相电路部分_______________________________ - 3 - （二）放大整形电路部分___________________________ - 3 - （三）锁相倍频电路部分___________________________ - 4 - （四）计数器及数字显示部分_______________________ - 5 - （五）相位超前于滞后显示部分_____________________ - 6 - 六、仿真___________________________________________ - 7 - 七、心得体会 _______________________________________ - 8 - 八、参考文献 _______________________________________ - 8 - 附：数字式相位差总电路图_____________________________ - 9 -
目录 前言 (2) 一、功能特点 (3) 二、技术指标 (3) 三、结构外观 (4) 1.结构尺寸 (4) 2.面板布置 (4) 3.键盘说明 (5) 四、液晶界面 (6) 五、使用方法 (10) 六、打印功能 (13) 七、注意事项 (13) 附录：三相三线计量接线48种接线结果 (14) 差动保护正确矢量图 (16)
前言 随着电力行业的发展和微机综合自动化产品的推广应用，保护回路和计量回路的接线正确与否直接影响到电力系统工作的稳定性和电费计量的准确性，而这两点正是电力系统非常重要的两个方面。由于保护装置和高压计量装置的接线比较多，容易造成错误接线，而又不易被察觉，（尤其是差动保护的复杂接线，有时高低侧同时引入，又存在不同的联结组别，极易接错，而在平时运行中又可能不会误动或拒动，存在很大的隐患）。武汉华亿通电气有限公司根据现场测试需要，适时开发出SL型矢量分析仪。它集多功能于一身，即可做相位仪校验主变差动保护和母线差动的正确性，又可作为电参量测试仪测试电力系统必要的参数，还可用做三相三线电能计量接线检测仪器。采用dsp交流采样，可同时测量3路电压和6路电流模拟量，仪器首创9通道矢量同屏显示，人机对话界面友好，使用简便，大大方便了现场使用，是电力工作者的得力助手。
一、功能特点 1、大容量锂电池供电，连续工作长达4小时。 2、3路电压，6路电流矢量同屏显示，国内首创。 3、集保护矢量分析；相位伏安测试；电能计量接线矢量分析多种仪器于 一身。 4、大屏幕、高亮度的液晶显示，全汉字菜单及操作提示实现友好的人机 对话，触摸按键使操作更简便，宽温液晶带亮度调节，可适应冬夏各季。 5、用户可随时将测试的数据通过微型打印机将结果打印出来。 6、体积小重量轻：283×218×128，2kg 7、预留双USB接口，可外接优盘等移动存储设备。 二、技术指标 1、输入特性 电压测量范围：0~450V。 电流测量范围：0~6A。 2、准确度 电压、电流、频率：±0.2% 功率：±0.5% 3、工作温度：－15℃~ +40℃ 4、充电电源：交流160V~260V 5、绝缘：⑴、电压、电流输入端对机壳的绝缘电阻≥100M?。 ⑵、工作电源输入端对外壳之间承受工频2KV（有效值），历时1 分钟实验。 6、体积：32cm×28cm×13cm 7、重量：2Kg
通用型多功能插头式电源检测仪 相位仪-比海尔更好的检测产品 4代 ? 一 口 价： 25.00元 ? 促 销： o :23.75元 ? 至：快递: 6.0元 EMS: 15.0元 ? 30天售出：31件 ? 特色服务： ? 品牌: 新基德 ? 型号: DTX-4 ￥25.00元 ￥78.00元 ￥35.00元 ￥23.00元
￥19.00元 ￥25.00元 ￥25.00元 ￥25.00元 ￥19.00元 ￥25.00元 ￥25.00元 ￥25.00元 ￥53.99元 ￥139.00元 ￥59.00元 ￥89.00元 ￥238.00元 ￥65.00元 ￥25.00元
￥65.00元 ￥96.00元 ￥99.00元 ￥69.90元 ￥122.00元 ￥140.00元 ￥145.00元 DTX 系列单相插头式电源安全检测仪是我司积十多年经验，综合各种不规范的电源插座接线 方式研制出来的安全用电保障系列产品之一，它主要用于电器安装前检查电源插座接线是否正确，也方便用户用来对已使用的插座进行检验，及时从源头上查找隐患，为用户用电安全提供保障，具有操作简单、品质可靠、便于携带的特点。其中DTX-t-Ⅳ是我公司把可用于"10A 和16A 插座的DTX-t-Ⅲ的功能加以扩展而开发的第四代产品，它同时还可以用于检验家居漏电保护开关状况、接地系统状况。
本产品用于检测电源插座的地极是否带电，各极是否按照规定要求连接，以及家居的用电安全保护系统是否正常，能及时提醒用户对有故障及安全隐患的插座作调整，和对保护系统进行检修，确保家居用电安全。 本产品10A、16A插座通用。 该产品是电热水器、空调、洗衣机等家用电器安全用电必需的检测工具。 能检测显示电路中火线、零线、地线是否接错、接反、漏接、断开，漏电及地线带电等各种不良现象和各种安全隐患. 家庭必备、装修必需、电工必有!!!
电子测量原理 低频数字式相位测量仪 班级:电子信息工程 姓名：何静峰 学号:20１140751５8 日期:2０１４年4月15日
系统方案 １ 相位测量仪方案 方案一：单周波计数法。将有相位差的两路方波信号进行”异或”后作为闸门，在高电平时，利用外部高频信号进行计数，在下降沿将数据读出,低电平时对计数器清零。设晶振频率为f c ，测得信号的频率为f r ，计数值为N ，则相位差ｐh ａs ｅ为 o c r N f f phase 180??= 方案二：定时间计数。将高频时钟信号和两路信号异或得到的信号进行“与”，在设定时间s 内利用其上跳变沿计数，设高频时钟频率为f ｃ,计数值为N,则 o c sf N phase 180?= 方案三：多周期同步计数法。设被测信号的频率为f,则将一被测信号进行ｆ1倍（f 取整）分频，则在f 1周期内(保证测量时间在1ｓ左右)，被测信号异或与参考高频信号相与的信号sin ｇal1的计数为Ｎ1,同时期参考高频信号的计数为Ｎ,则 o N N phase 1801?= 以上三种方案都可以采用一个D 触发器将相位测量的相位扩展到o 0-o 360。方案一需高速时钟,按题目要求,在20kHz 信号时的相位差分辨率为0．1ｏ，则要求时钟最少为７2ＭＨz ，实现困难。而方案二测量时间段一定，存在遗漏0~1个周波的情况，从而引入较大的误差。方案三的读数与异或得到的信号同步,不存在遗漏问题，误差很小,故采用此方案。 2 移相信号发生器
⑴频率合成器方案 方案一：采用函数发生器8０3８。可以同时产生正弦波、三角波、方波，频率可由调制电压控制，但此方案难以实现相移,而且输出频率不稳定。 方案二:采用直接数字频率合成(DDＦS)方案。用存储器存储所须的波形量化数据，采用不同时钟频率的地址计数器，根据计数值读出存储器中的量化数据，再经Ｄ/A转换后滤波整形输出。此方案可以很好地控制两路波形的相位差以及频率。 经上述比较，我们采用方案二。 ⑵幅度控制 方案一:利用可调电位器手动调节电压幅值。 方案二：通过控制D/A的参考电压控制输出波形的幅度。参考电压可通过对另一Ｄ／A置数从而输出不同电压，进而控制输出波形的幅度。 方案二可以预置幅值，并且比较精确,方便操作,故选方案二。 经上面方案论证，我们采用如下的系统方案： 设计技术指标 (1)相位测量仪 a．频率范围：2０Hz～2０ｋHz。
目录 1.设计任务书。 2.设计方案概述。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理。 4.电路的组成及参数选择。 4.1整形电路及信号C的形成。 4.2滤波电路的参任务计划书。 4.3V/f变换电路的设计。 4.4 89C52内部资源的利用。 5.应用实例。 6.结论。 7.总结。 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0HZ～250HZ可调 （2）输入信号的幅度为0.5V （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。要求图纸布局合理，符合工程要求，所有的器件的选择要有计算依据。 二、设计方案概述 根椐设计任务书的要求，我们参考了一些相关资料书，经过小组的讨论分析，提出了一种用v/f变换测量交流电的相位差的新方法：首先产生出其幅度正比与相位差大小的直流电，再有v/f变换器转换成反映相位差大小的频率信号，在单片机的配合下，最终得到相位差。这种方法具有分辨率高，适应与大范围的各种输入频率等优点。 正弦交流电电信号相位差的测量可以用多种方法实现。比较直接的数字式测量方法是在已知信号周期的前提下用定时的方法测得相位差角对应的时间，然后根据已知的周期将其换算成相位差角度。但
是，这种方法的测量精度依赖于定时器的精度和分辨率。在信号频率较高或频率虽不高但相位差较小时，都可以出现较大的误差。另外，由于直接测量得到的是时间，相位差角要由这一中间结果与信号的周期运算后才能得到，所以周期的测量不可缺少，其测量的精度也将影响相位差的精度。 在此用一种新的思路进行相位差的测量，用v/f变换器把相位差转换成一个其频率与之成正比的脉冲列，通过计算在一定时间内的脉冲个数测量相位差角。这种测量方法与信号的周期无关，可以得到较高的精度。题达到了0.1的测量精度，与此同时工业运行控制中现场操作，修改和设置等问题也得到了很好的解决，以上这些都在工业运行中得到了厂方的认可。存在的问题主要是本仪器通用性很不强，很难在更大的范围应用和推广，只能运用与某些特定的企业。今后的工作主要硬件和软件的改进上，列入增加一些通用行很强的功能模块。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理 首先将输入的两个同频率但存在着相位差的信号进行整形，使之变成方波。如图1示A和B 再对A,B进行异或处理, 异或输出信号C 的脉冲宽度则反映相位差角.C 的脉宽T1对应的电角度是相位差角,C 的周期T2 是信号周期T 的1/2.如果信号角频率为w 则T1= /w. C为幅值为U 的方波其平均值Ud=UT1/T2=U 由此可见,C 的平均值( 亦即直流分量)仅与相位差角和脉冲幅 度有关与信号周期无关
310相位匝比测试仪使用注意事项 310相位匝比测试仪有许多设计上的问题，使用测试过程中应注意，其操作说明书读来非常累人，并有很多内容没有给予说明。 配合测试治具进行 1.功能键START 1.1当按一下此键：INT灯亮，测试仪自动(有时间间隔)转换绕组检测。例：次级有五个绕组，从NS1开始检测，过几秒钟自动进入下一绕组NS2……至NS5结束，显示结果看测试治具的灯； 1.1.1当按一下此键：EXT/MAN灯亮，该功能非自动测试，为单次触发，即按一下START测试从NS1、再按一下START测试进入NS2……同样方法至结束； 1.1.2该功能便于观察显示窗，查看每个测试绕组的实际数据； 1.2进行相位测试判定，应注意VOLT电压不能设定得太高，不要大于2V。[在实际测试中己碰到误判现象。如测型号T006变压器，该变压器次级有6个绕组，连接好冶具跳线后，测其相位，当VOLT 电压为6.5V时，NS6相位不良灯亮。当电压改设成5V时也一样…后改设成1V，使用一直正常]； 1.3在自动测试，对多绕组尤其绕组结构在外层的绕组，离初级绕组相对远些，耦合系数降低，测试过程中会误判定不合格。为此，可用单机给予确认是否为合格品； 1.4主机与测试冶具连接的25芯公对公连接线其长度最好不要超过一米。 不配合测试治具 2．当单机使用：前面板“TOTAL”和“RA TIO”的NO.GO红色灯一直亮，这是正常现象； 2.1当单机(不配合测试治具)使用：前面板“START”按键不起作用，也就是不必使用； 3.PHASE(相位或称同名端)：测试时，如为同名端：IN绿色灯亮、OUT红色不亮；反之，IN绿色灯不亮、OUT红色灯亮，说明被测绕组反向。即被测线圈绕组的头尾，与输入绕组的头尾相反(或该绕组在绕制时，反方向绕制)。
高精度相位测量仪的介绍及测量 相位介绍 相位是与电路结构有关的参数。 相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。比如正弦交流电流，它的公式是i=Isin2πft。i是交流电流的瞬时值，I是交流电流的最大值，f是交流电的频率，t是时间。随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零。 相位(phase)是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。是描述讯号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，也称作相角。当讯号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360° 。常应用在科学领域，如数学、物理学等 相位调整 相位调整是指在有些超低音音箱上加装的一个控制机构。用于对超低音音箱所重放出的声音稍许加以延迟，从而让超低音音箱的输出能够和前置主音箱同相位，即具有相同的时间关系。 相位噪声 相位噪声是频率域的概念，是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。 如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。 相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。 相位差 两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。
低频数字式相位测试仪的研究 一、设计背景和意义： 相位测量技术的应用已深入到许多领域，广泛应用于国防、科研、学校和厂矿，传统相位测量使用的是指针式仪表，但随着电子技术的发展，数字显示相位仪不断涌现。利用了51单片机的高速硬件捕获功能来实现频率和相位的测量;并利用A/D转换器对数据进行进一步的处理，在高低频段分别采用多次测量、滤波算法、矢量分解、便宜修正等算法消除干扰提高精度，采用大屏幕液晶显示测量详细信息;利用AVRmega8515配合16.384MHZ的高速晶振，采用软件DDFS实现双路数字式移相信号发生器，使用优化算法是当今科技发展对低频数字式相位测量仪的新要求。 二、设计的主要内容以及具体要求： 2.1设计的主要内容 低频数字是相位测量仪实际需要设计和制作的三个独立的部分：（1）数字相位测量仪；（2）数字式移相信号发生器；（3）移相网络。本系统由两块独立的CPU组成。 本系统以51单片机以及可编程逻辑器件为核心，由模拟移相网络、数字式相位测量仪（含测频功能）、数字式移相位测量仪的核心为数字鉴相器及高速计数器，频率计采用高精度恒定误差测频法。信号发生器使用直接数字频率合成（DDFS）技术，并使用汉字液晶显示模块，操作界面友好。系统的测量精度及其它指标均达到了设计要求。 2.2设计的具体要求 （1）设计并制作一个相位测量仪 a．频率范围：20Hz～20KHz。 b．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V～5V范围内变化。 c. 相位测量仪的输入阻抗≥100K。 d. 相位测量绝对误差≤。 e. 具有频率测量及显示功能。 f. 相位差数数字显示：相位读数为～，分辨力为。 （2）移相网络 a．输入信号频率：100Hz，1K，10Kz。 b．连续相移范围：～ c. A`,B`输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。 十进制数字显示，显示刷新时间1～10秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。 三、设计的实现方案： 方案论证 数字移相技术的核心是：先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。移相方案主要有以下几种。 方案一：利用D/A转换实现相移
电子设计竞赛报告 电子设计竞赛报告 题目: 数字相位测量仪设计报告 院系名称：电气工程学院专业班级：电气F1104班学生姓名：陈x超学号： 指导教师：教师职称：副教授 评语及成绩： 指导教师： 日期：
摘要 本设计提出了一种基于c8051f020单片机开发的低频数字相位测量仪的方案。主要包括相位测量模块、单片机最小系统、显示模块的设计。可以对低频率范围的信号进行相位等参数的精确测量，测相绝对误差不大于1°。相位测量模块采用对输入的两路信号（同频率、不同相位）通过比较器整形、鉴相器异或之后得到的相位差，输入到单片机的中断口进行数据采集处理；采用数码管显示被测信号的相位差。硬件结构简单，软件采用汇编语言实现，程序简单可读写性强、效率高。与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。 关键词相位差单片机比较器整形数码管
目录
1.方案设计 1.1设计方案论证 从功能角度来看，相位测量仪要完成信号相位差的测量。相位测量仪有两路输入信号，也是被测信号，他们是两个同频率的正弦信号，频率范围为20Hz~20KHz （正好是音频范围），幅度为U PP =1~5V ，但两者幅度不一定相等。 相位和相位差的概念[4]： 令正弦信号为： ()()0sin ?ω+=t A t A m （2.1） 2.1式中Am 称为幅值（最大值），且A A m 2=，A 称为有效值；()0 ?ωθ+=t t 称为相位，0?称为初相位，ω称为角频率。Am 、ω、0?称为正弦量的三要素。 只有两个同频率的（正弦）信号才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正 弦信号为： ()()()() 02220111sin sin ?ω?ω+=+=t A t A t A t A m m （2.2） 则相位差： ()()02010201???ω?ωθ-=+-+=t t （2.3） 由2.3式中可看出，相位差在数值上等于初相位之差，θ是一个角度 不妨令θωθT =，其中θT 是相位差θ对应的时间差，且令T 为信号周期，则有比例关系： θθ:360:T T = （2.4） 可以推导得到： ()360/?=T T θθ （2.5） 式子2.5中可以说明，相位差θ与θT 一一对应，可以通过测量时间差θT 及信号周期T ，计算得到相位差θ，这就是相位差的基本测量原理。 由于相位差的基本测量原理可知，相位差的测量本质上是时间差θT 及信号周期T 的测量，也就是时间的测量，而时间的测量不可避免地要用到电子计数器。 时间的测量有多种方法，而设计题目关于相位测量仪的技术指标要求会影响到我们对方案的选择，MCU 应用系统一般能较好的实现各种不同的测量及控制功能，往往还能满足一些设计要求比较高的技术指标，因此，我们在进行电子系统设计时，可用MCU 实现系统功能，完成系统指标。
《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。基准信号(相位基准) f R 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 R ,但相位与f R 相同,这个输出信号被用作计数器的计数时
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、技术指标与要求 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、工作原理
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。基准信号(相位基准) f R 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 R ,但相位与f R 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 经放大整形再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f R 与f S的相位差tp 内计数,这样计数器计得的数即为f R 与f S 之间的相位差。于计数时钟频率为360f R ,因此,一个计数脉冲对应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2 得到理解和说明。图中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 超前于f S ,相位取正值,符号位数码管显示全黑; 当Q 为0 时, f R 滞后于f S ,相位取负值,符号位数码管显示“ - ”。