工频数字式相位测量系统(同舟杯).doc

同 舟 杯 2010 电 子 设 计 竞 赛工频数字式相位测量系统作者：杜尧 赖永生 王海鹏 （轮机工程学院）摘要本工频数字式相位测量系统包含数字式相位测量仪、数字式移相信号发生器，比较器整波电路。本系统以51单片机为核心，由比较器整波电路、数字式相位测量仪（含测频功能）、数字式移相信号发生器三个独立模块组成。相位测量仪的核心为单片机定时器模块。信号发生器使用题中推荐电路，产生两个同频并可调相位差的电路。系统的测量精度及其他指标均达到了设计要求。1、 方案论证.数字式相位测量仪 采用单片机实现数字相位测量。将两路输入信号分别通过过零比较，然后通过异或电路得到一个时间间隔为相位差的正脉冲，并且利用此脉冲开启和关闭定时器，通过读取定时器即可计算得到相位差。该方案采用外部器件少，电路简单。1. 移相网络 模拟移相，有R、C组成移相网络进行移相。移相网络的基本单元电路如图。通过调整电位器，可以得到-90度至+90度任意移相角度。2.整波电路 U1,U2两同频率、相位差X的两个被测正弦信号，经过过零比较，变成两个方波，再进过异或鉴相电路输出周期为T，宽度为T1的方波。.3、单片机系统及显示系统 此系统的原理是通过定时器记录下经异或电路后的正脉冲的高电平时间，即相位差时间，通过一定的计算，得出相位差角度。2、 方案细化1. 在移相电路： 在移相电路中，在实际试验中发现去除R3后效果更好，相位差的调节范围加大。2. 整波电路： 采用过零比较为主的电路将两个正弦波转为方波，再通过异或电路将二者的相位差通过一个正脉冲的时间差来表达。3. 单片机系统及显示 单片机通过使用INT0（P3.2）来接受正脉冲，并且将定时器T0设置为TMOD=0X09.即在TR0=1，INT0=1时，定时器开启；二者之一为零，即关闭。然后通过记录下的脉冲数来计算出相位差的时间间隔T，通过计算公式，即：T/0.02*360=角度angle。 将angle通过计算公式分割成个十百位，分别输入锁存器，再输入数码管，显示出相应的位，达到最终的目的。部分计算及定义：EA=1;/开总中断TMOD=0x09;/t0方式一,受int0,gate=1,tr0=1,int0=1,允许计数,int0=0，关闭P3=0x00;TR0=1;/TH0=0;m=TH0*256+TL0;count=m*27/1000;n2=count/100;/百位数字temp=count%100;n1=temp/10;/十位数字n0=temp%10;/个位数字wela=1;/联通位选锁存器P1=0xfe;/控制第一个亮，低电平 wela=0;/关，以保持住0xfedula=1;/开段选，P0和锁存器通P0=tablen2;/把p0赋值，num对应的二进制值，显示百位dula=0;delay(300);3、 理论误差分析 1，在移相电路中，由于电容电阻的值存在误差，导致了相位差的调整范围并不如理想中的大。 2，在整波电路中，所作出的电路并不完全是标准的方波，有些类似梯形。 3.，在单片机定时器工作过程中，由于在内部频率相比于所测波的频率足够高，所以在angle的个位上精确度完全可以满足。为此，在仿真电路利用一个函数发生器改变频率的一组方波输入到单片机的int0口来计算出一组频率对应的角度与显示的角度进行比较。方波频率/hz显示角度理论角度1008890200444530029304002222.5500171860014157001212.88001111.25900910100089由表中我们可以发现，由于计算公式m=TH0*256+TL0;count=m*27/1000;n2=count/100;/百位数字temp=count%100;n1=temp/10;/十位数字n0=temp%10;/个位数字的各变量的定义的原因，这些数均为整数，就导致了小数点以后的误差。而且到了高频部分，10khz后，显示均为0。因此，在此系统工作下，测量精度在小数点以后无法满足且小于1度的无法显示。 其次，由于晶振存在着实际频率与标称频率的误差，会导致定时时间与与计算时间的误差，从而导致角度误差。 在实际接入5v，50hz的交流电源后的检测中，由于当时10k电阻已无，只能使用5k，导致相位差调节范围只有30度以内。在示波器及数码管显示的比较中，证明其精度还是可以满足要求。4、 软件设计 单片机程序采用c语言，在keil uvision3的环境下编译，并用proteus软件仿真调试。单片机程序采用C语言，在Keil环境下变异，用PROTEU仿真器调试。5 队员和实物图6 设计改进 1。对于晶振引起的误差，可以采用与标称频率误差更小的晶振来降低误差。 2。可以通过在内部计算程序中将角度扩大十倍来显示小数点后一位，来增加精度。 7 结束语、 在同组三人的紧密团结、精诚合作下，小组终于顺