單片機數(shù)字相位差計的設(shè)計

PAGE16XXXXXX項目式教學設(shè)計報告課程名稱：電路綜合設(shè)計項目名稱：單片機數(shù)字相位差計的設(shè)計專業(yè)班級：學生姓名：指導教師：開課時間：報告成績：評閱意見：評閱意見：評閱教師日期數(shù)字相位差計的設(shè)計與實現(xiàn)摘要隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，由數(shù)字邏輯電路組成的控制系統(tǒng)逐漸成為現(xiàn)代檢測技術(shù)中的主流，數(shù)字測量系統(tǒng)也在工業(yè)中越來越受到人們的重視。在實際工作中，常常需要測量兩列頻率相同的信號之間的相位差，來解決實踐中出現(xiàn)的種種問題。例如，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)合閘時，要求兩電網(wǎng)的電信號之間的相位相同，這時需要精確測量兩列工頻信號之間的相位差。如果兩列信號之間的相位差達不到相同，會出現(xiàn)很大的電網(wǎng)沖激電流，對供電系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的破壞力，所以必須精確地測量出兩列信號之間的相位差。本設(shè)計由STC89C51構(gòu)成的最小系統(tǒng)，通過外圍擴展，精確測量工頻電壓的相位差，采用LCD1602顯示相位差，功耗小，精確度高，穩(wěn)定性能好，讀數(shù)方便且不需要經(jīng)常調(diào)試。關(guān)鍵詞：單片機、低頻、相位差、LCD一、緒論1.1課題的意義眾所周知，相位是交變信號的三要素之一，而相位差則是研究兩個相同頻率交流信號之間關(guān)系的重要參數(shù)。相位差的測量是電氣測量的一項基本內(nèi)容，其含義為測量兩個同頻率周期信號的相位差值。例如某一電路系統(tǒng)輸入信號與輸出信號之間的相位差，三相交流電兩個相電壓或兩個線電壓之間的相位差，相電壓與相電流之間的相位差等。又如，在自動控制理論中，系統(tǒng)的相頻特性為在不同頻率正弦信號作用下，系統(tǒng)的輸出信號與輸入信號之間的相位和頻率的函數(shù)關(guān)系。此外，同頻率正弦信號的相位差測量在工業(yè)自動化、智能控制及通訊電子等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。如電工領(lǐng)域中的電機功角測試，等等。因此相位差的測量是研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中不可缺少的重要方面。1.2課題要求本設(shè)計研究了一種可測20Hz-20kHz內(nèi)波形（正弦波、三角波、矩形波）數(shù)字相位差測量儀的設(shè)計方法。主要內(nèi)容是以STC89C51為控制核心，實現(xiàn)對音頻范圍內(nèi)的正弦交流信號的相位的測量，可測的信號相位差在0～360度范圍內(nèi)，測量精度可達0.1。兩路信號（同頻、不同相）通過過零比較器電路整形成矩形波信號，再通過鑒相器，D觸發(fā)器二分頻得到相位差信號。這樣就構(gòu)成了相位測量系統(tǒng)的測量電路。再將該相位差信號送入單片機的外部中斷端口，通過單片機對數(shù)據(jù)的處理，最后方可得到所要測量的相位差，并在液晶上顯示出測量結(jié)果。二、相位測量方案論證與選擇2.1設(shè)計方案論證限幅放大器1限幅放大器2脈沖限幅放大器1限幅放大器2脈沖整形1脈沖整形2鑒相器濾波A\D轉(zhuǎn)換u1(t)u2(t)圖2-1相位電壓轉(zhuǎn)換測量法的原理圖相位--電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計的原理框圖如圖2-1設(shè)、為頻率相同、相位差為的兩個被測正弦信號，經(jīng)限幅放大和脈沖整形后變成兩個方波，再經(jīng)過鑒相電路（如異或鑒相），輸出周期為T，寬度為的方波，若方波幅度為，則此方波的平均值即直流分量為=。因此，用低通濾波器對方波進行平滑濾波后，輸出電壓即為直流電壓。上式中T為被測信號的周期，由兩信號的相位差決定，即=。所以與的關(guān)系為：=*T，代入上式，得=，若A/D轉(zhuǎn)換的量化單位取為/，則A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果即為的度數(shù)。方案2：通過倍頻電路實現(xiàn)相位差的測量先通過比較電路將兩路同頻信號分別轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖信號，然后將其中的一路信號通過反相器取反后與另一路信號相與，得到一等脈寬的脈沖波形，此脈沖波形的脈寬t，即表示兩信號的相位差。將原信號對應(yīng)的任意一路脈沖信號（周期為T）倍頻后，作為單片機計數(shù)器的計數(shù)脈沖，并對相位差脈沖記數(shù)脈沖周期為T/A，可得到兩信號相位差計算公式如下：Q=360Xt/T=360*W*（T/A）/T=360*W/A=W*N其中N=360/A，N為常數(shù)，是相位測量系統(tǒng)的最小精確度。經(jīng)過單片機系統(tǒng)編程即可實現(xiàn)此簡單運算式，并將運算結(jié)果Q送LED顯示。原理圖如圖2-2：整形整形整形相位差倍頻單片機顯示圖2-2倍頻電路實現(xiàn)相位差原理圖方案3：相位一時間轉(zhuǎn)換法此方案的基本原理是：先分別將被測信號和經(jīng)過相移網(wǎng)絡(luò)后的信號通過過零比較器整形成TTL電平方波，然后通過時間間隔內(nèi)的計數(shù)測量，得到相位差。其中不同的計數(shù)方法也是各有利弊，舉例如下：（1）采用單片機內(nèi)部中斷和計數(shù)器測量。將兩路信號分別通過放大、整形、過零比較，然后分別輸入單片機得兩個外部中斷，一個中斷開啟定時器，另一個中斷關(guān)閉定時器，通過讀定時器值即可計算得相位差。這個方案采用的外部器件較少，電路簡單信號1信號1信號2整形1整形2鑒相器單片機系統(tǒng)LCD顯示非門圖2-3利用單片機計數(shù)器的測量法MCS—51單片機的51子系列有兩個定時器/計數(shù)器，分別記為T0或T1。每個定時器/計數(shù)器有一個外部輸入端（T0和T1）、一個十六位的二進值加法計數(shù)器（TH0、TL0和TH1、TL1）以及兩個內(nèi)部特殊功能寄存器TMOD和TCON。TMOD用于選擇計數(shù)器、控制計數(shù)信號的輸入和定義計數(shù)器的工作方式。TCON用于控制計數(shù)信號的輸入和計數(shù)器的溢出。但是，51系列的單片機速度較慢，在被測信號頻率較高時，測得相位差的絕對誤差比較大。（2）采用較高頻率的外部晶振計數(shù)測量。同樣將兩路信號分別通過放大、整形、過零比較，再將兩路整形后的信號輸入D觸發(fā)器，經(jīng)過“異或”操作，得到可以反映相位差的寬脈沖。然后在寬脈沖的時間單元內(nèi)，對高頻的晶振信號進行計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，最后在顯示模塊中顯示相位信息。正弦信號正弦信號高頻晶振移相網(wǎng)絡(luò)電壓比較器1電壓比較器1鑒相鑒相計數(shù)計數(shù)單片機系統(tǒng)顯示鍵盤圖2-4利用外部晶振計數(shù)的測量法2.2設(shè)計方案選擇方案三（1），此方法應(yīng)用硬件少，結(jié)構(gòu)簡單，雖然51系列的單片機速度較慢，在被測信號頻率較高時，測得相位差的絕對誤差比較大，但本設(shè)計被測信號是低頻信號，測得相位差的誤差很小，滿足設(shè)計要求。所以可以看出后者更具優(yōu)勢。故本次設(shè)計采用第三種(1)方案。三、系統(tǒng)具體實現(xiàn)3.1系統(tǒng)概述3.1.1系統(tǒng)總體硬件框圖及說明LM339LM339比較整形LM339比較整形二分頻二分頻鑒相器單片機系統(tǒng)LCD顯示非門圖3-1相位差系統(tǒng)總體設(shè)計框圖輸入信號A輸入信號BD觸發(fā)器（超前\滯后）D觸發(fā)器（超前\滯后）LED整個系統(tǒng)由放大整形電路，鑒相電路，分頻電路，單片機及LCD組成。放大整形電路：為減小兩路被測信號在測量電路中的附加相移引起的測量誤差，兩個通道采用相同的放大整形電路。該電路由兩個高性能的集成運算放大器組成，集成運放LM339用來對輸入信號進行放大，以適應(yīng)測量微弱信號。LM339在電路中組成施密特電壓比較器，用于檢測正弦信號的零點，當輸入端信號>0時,LM339輸出高電平;當輸入端信號<下限電平時,輸出低電平。由于LM339輸出脈沖上升沿始終對應(yīng)于輸入信號的過零時刻,下降沿對應(yīng)于某一下限電平，所以當輸入信號幅度變化時,下降沿時刻跟著變化,上升沿時刻始終不變，因此,能夠比較快速準確的檢測出信號的零點。鑒相電路由兩個二分頻和1個異或門組成。由圖2-2，經(jīng)二分頻后的脈沖波形的寬度即為正弦波的周期，分頻后的兩路信號經(jīng)過兩輸入異或門輸出的脈沖寬度即為兩路輸入信號相位差對應(yīng)的時間，由于此輸出脈沖的上升沿和下降沿對應(yīng)的都是整形后的脈沖的上升沿，而整形后的脈沖的上升沿不隨輸入的正弦信號的幅度改變而改變，所以當兩路被測信號幅度相差較大時，此電路也可精確測量二者的相位差。超前\滯后判斷電路由D觸發(fā)器構(gòu)成，LED指示燈顯示。3.1.2系統(tǒng)軟件框圖本系統(tǒng)對核心測量電路——相位測量部分進行了詳細的軟件設(shè)計。該軟件設(shè)計主要包括主程序的設(shè)計、中斷服務(wù)子程序的設(shè)計、液晶顯示程序的設(shè)計。首先要對相位差的測量過程有個基本的了解，待測信號輸入相位測量電路，經(jīng)過整形、鑒相一系列處理后，最終得到了相位差信號，將該相位差信號送入P3.2口（INT0），再將取反后的相位差信號送入P3.3口（INT1）。通過軟件計數(shù)的方法對相位差信號的高電平和低電平分別計數(shù)10個，同時開啟定時器，記錄相應(yīng)的時間。具體算法如下：

設(shè)相位差信號高電平的時間為t，低電平的時間為t，則相為

其中，相位差信號高電平的時間為t，通過INT1測得，因為INT1管腳接入的是相位差取反后的信號，而取反信號低電平的時間就是原信號高電平的時間，當外部中斷INT1的中斷服務(wù)子程序啟動時，軟件計數(shù)也同時開始了，定時器T0開始定時，沒來一次下降沿，軟件計數(shù)自動加1，知道計數(shù)值為10，關(guān)閉定時器T0，并記錄此時所用時間，改時間相當于10倍的t；同理，相位差低電平的時間為t，通過INT0測得，相位差信號直接送了INT0口，所以記錄INT0低電平的時間即為t，當外部中斷INT0的中斷服務(wù)子程序啟動時，同樣軟件計數(shù)的方法，并結(jié)合定時器T1定時，最后可求得相當于10倍t的時間。再根據(jù)上式方可得到所測相位差，并通過液晶顯示出來。初始化初始化開始t1和t2是否是非0顯示當前相位差寫入以下字符串“….”顯示完成圖3-2主程序流程圖是否本設(shè)計用到了兩個外部中斷，二者原理相同，故此處不再贅述，以INT1中斷服務(wù)子程序為例，流程圖，如圖3.3所示。3.2單元電路設(shè)計3.2.1電源模塊電路設(shè)計本系統(tǒng)采用USB5v供電，具有方便簡單，適用性強的特點，470uF電解電容起到去除電源低頻波紋，穩(wěn)定電源的作用；104電解電容做為濾波電容進行去除高頻干擾。外部中斷INT1入口外部中斷INT1入口軟件計數(shù)值a是否為0開啟定時器T0定時器T0初始化計數(shù)值a自加A是否計數(shù)到10關(guān)閉定時器T0，a重新從0開始計數(shù)記錄此時計數(shù)器的時間值返回圖3-3INT1中斷子程序框圖是否是否3.2.1相位差整形電路設(shè)計被測信號是周期相同、幅度和相位不同的兩路正弦信號，為了準確地測量出正弦信號的相位差，需要對輸入波形進行整形，使輸入信號變成矩形波信號，并送給鑒相器進行處理。另外，在相位差測量的過程當中，不允許兩路被測輸入信號在整形輸入電路中發(fā)生相對相移，或者應(yīng)該是的兩路被測信號在整形輸入電路中引起的附加相移是相同的，因此，我們對A、B兩路信號采用了相同的整形電路。同時，為了避免出現(xiàn)被測信號在過零點時含有干擾，我們選用施密特觸發(fā)器組成的整形電路。由于施密特觸發(fā)器是在單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入了正反饋網(wǎng)絡(luò)，因為正反饋的作用，它的門限電壓隨著輸出電壓U0的變化而變化，從而使施密特觸發(fā)器有兩個門限電壓，所以可以提高輸入電路的抗干擾能力。如圖3-4所示，電路中我們使用兩個施密特觸發(fā)器對兩路被測輸入信號進行整形。在圖中，比較器LM339連接成了施密特觸發(fā)器的形式。為了保證輸入電路對相位差的測量不帶來誤差，必須保證兩個施密特觸發(fā)器的兩個門限電平對應(yīng)相等，這可以通過調(diào)節(jié)電位器R7和R13來實現(xiàn)。圖3-4相位差整形分頻電路3.2.2分頻電路二分頻電路由74LS74雙向D觸發(fā)器構(gòu)成，把需要分頻的信號接CLK，輸出/Q反饋到輸入D端。CLR和PR是清零，都是低電頻有效。連接如圖3-4。3.2.3鑒相電路設(shè)計圖3-5相位差鑒相電路鑒相器就是異或門電路，假設(shè)在鑒相器的兩端輸入整形分頻之后的波形Ug、Uh中，異或之后正脈沖寬度就是Ug和Uh相位差所對應(yīng)的時間差T，由此可見，鑒相器在相位測量電路中起到了測量時

間差的重要作用。。3.2.4相位超前/滯后電路設(shè)計相位超前/滯后電路如圖3-5，電路中使用了74LS74雙向D型觸發(fā)器。通過電壓比較器LM339整形，D觸發(fā)器二分頻之后的兩路信號輸入74LS74雙向D型觸發(fā)器的獨立數(shù)據(jù)端D和時鐘端C，當信號A超前于信號B時，74LS74的獨立數(shù)據(jù)端的輸入方波信號也超前于時鐘端的輸入方波信號，那么時鐘的第一個上升沿到來時，獨立數(shù)據(jù)端處在高電平，根據(jù)74LS74的真值表，輸出Q端為高電平，Q端為低電平，發(fā)光二極管1亮，并且隨后所有的時鐘信號的上升沿到達時，獨立數(shù)據(jù)端都處在高電平，Q端保持高電平不變。當信號A滯后于信號B時，時鐘的上升沿到來時，獨立數(shù)據(jù)端處在低電平，則輸出Q為低電平，輸出Q為高電平，二極管2亮，并且隨后所有的時鐘信號的上升沿到達時，獨立數(shù)據(jù)端都處在低電平，Q端保持高電平不變。這樣根據(jù)哪一個二極管發(fā)光就可以判斷出被測的兩個同頻信號的超滯相關(guān)系了。3.2.5電路如圖所示，這部分是由單片機、晶振電路、按鍵復位電路和LCD顯示電路等組成。在設(shè)計中，我們充分利用單片機具有較強的運算能力和控制能力這一特點，使用單片機外部中斷INT0、INT1接收外部送來的對應(yīng)于被測信號的時間、周期差，并在單片機內(nèi)部完成相應(yīng)的處理及相關(guān)運算。并由單片機完成LCD1602液晶屏的驅(qū)動工作，最后有液晶屏顯示所測相位差。圖3-6單片機系統(tǒng)電路3.3仿真與分析3.3.1移相網(wǎng)絡(luò)仿真在模擬實驗平臺Multisim中產(chǎn)生同頻不同相的兩路信號比較困難，所以在電路仿真時設(shè)計移相網(wǎng)絡(luò)電路，以便于電路的仿真操作和分析，仿真電路如圖圖3-7移相網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果如圖移相信號參考信號圖3-8移相網(wǎng)絡(luò)仿真圖3.3.2圖3-9整形電路仿真圖3.3.3圖3-10鑒相電路仿真圖3.4整體電路系統(tǒng)安裝調(diào)試過程3.4.1硬件調(diào)試在進行調(diào)試時，首先對硬件進行靜態(tài)調(diào)試，靜態(tài)調(diào)試的目的是排除明顯的硬件故障，在集成電路原件未插入電路板之前，必須用萬用表仔細的測線路，檢查連接是否正常，防止電源短路。重點檢查電源和信號線之間的連接，公共點（地）是否正常連接。在排除所有的線路錯誤之后，接上電源，用萬用表測量加在各集成電路插座芯片上的電壓，極性是否正確，特別要注意單片機插座的各點電位，若電壓過高，會損壞器件；電壓過低，電路不能正常工作。同時要注意芯片的方向，不要插反。通電后發(fā)現(xiàn)到某原件有過熱現(xiàn)象，必須馬上斷電重新檢查，尤其是電源電路，一旦出現(xiàn)問題，將會影響整個硬件系統(tǒng)的工作與安全。為慎重起見，可以分塊插入原件，避免大面積損壞器件。通電后接入待測信號，檢查各模塊是否實現(xiàn)功能，與仿真結(jié)果相對比，如果發(fā)現(xiàn)問題，重新檢測排除每個模塊出現(xiàn)的問題，直至符合要求，才算整個電路系統(tǒng)的調(diào)試。3.4.2波形整形系統(tǒng)的抗干擾分析基于外部純硬件設(shè)計的波形整形系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的，系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)的可靠性指標，這種應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)場合中使用，不僅如此，在實驗調(diào)試時，周圍的其他設(shè)備，如示波器等的工作也會給整個系統(tǒng)帶來無法預知的干擾，造成測量錯誤。針對以上問題，本課題采用了一些必要的抗干擾措施，下面介紹這些抗干擾措施。元器件選擇構(gòu)成電路的基本單元是元器件，選擇合適的元器件是抑制干擾的基本保證，為此電路中采用金屬膜電阻，盡量縮短連線長度；高頻電路中，采用云母電容或陶瓷電容；在電源去耦和濾波電路中，采用電解電容。電路設(shè)計在實際模擬電路時，對輸入信號加設(shè)模擬濾波電路，將模擬電路和數(shù)字電路分開一定的距離安裝，模擬信號和數(shù)字信號在電路板上劃分不同的區(qū)域布置，以防止他們之間相互干擾。在設(shè)計數(shù)字電路時在數(shù)字集成電路的電源和地之間并入一個去耦電容。印刷電路板制作注意事項=1\*GB3①減少輻射干擾在集成電路附近增設(shè)旁路電容退耦，以降低電源線阻抗，縮小點流環(huán)路，使電路工作穩(wěn)定。=2\*GB3②抑制電源線和地線阻抗引起的震蕩每個集成電路的電源和地線之間接旁路電容，縮短開關(guān)電流的流通途徑；將電源和地線布局成網(wǎng)絡(luò)狀，縮短線路回路；將電路板空的地方盡量鋪上地線，電源線比信號線相對要設(shè)計粗一些，寬度在30mil以上。=3\*GB3③合理的布線和走線由于電路板為雙層線路板，在布線時應(yīng)盡量一面為水平走線，另一面為垂直走線，在線路必須折向時，以45為宜，90會增加電壓駐波；線路的粗細由線路的功能來定。3.4.31、兩輸入信號的相位差為或360當兩輸入信號的相位差為或360時，異或門輸出始終為低電平，這樣計數(shù)器T0和T1就一直沒有啟動，即計數(shù)器TH1、TH0中的值為0，那么經(jīng)過計算后的值也為0，表示兩輸入信號同相。2、兩輸入信號的相位差為180當兩輸入信號的相位差為180時，異或門輸入的信號始終為高電平，將導致定時/計數(shù)器T1始終處在工作狀態(tài)，這會使定時/計數(shù)器T1所計數(shù)的脈沖個數(shù)大于65536個，產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷。3.5.測量結(jié)果及誤