数字式相位测试仪设计

1、数字式相位测试仪设计摘 要随着数字电子技术的发展，数字式相位测试仪广泛应用于工业、农业、交通运输、航空航天等国民经济的诸多领域中。本设计以AT89S51单片机为核心，采用计数的方法，再通过外围电路扩展，设计了一款实用、经济的数字式相位测试仪。该测试仪由移相网络、放大电路、整形电路、鉴相电路、单片机电路和显示电路几部分构成。可以准确的测出工频信号的相位差，误差不大于20 ，且稳定性好，用数码管显示读数也方便。关键词： 单片机， 相位差， 数码管Digital Phase Meter DesignABSTRACTWith the development of digital electronic

2、technology，Digital Phase Meter is widely used in industry、agriculture、transportation、aerospace and other fields of national economy。 The design AT89S51 MCU core，an interrupt counting method, and then extended through the external circuit, designed a practical、economical digital phase tester. The tes

3、ter by the phase shift network、amplifier、 shaping circuit、phase circuit、microcontroller circuits and display circuits several parts。Can accurately measure and labor, the phase difference frequency signal, the error is not greater than 2, and good stability, with a digital display reading is also con

4、venient。KEY WORDS： single2chip computer, Phase difference, LED目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc263927064 摘 要 PAGEREF _Toc263927064 h I HYPERLINK l _Toc263927066 ABSTRACT PAGEREF _Toc263927066 h II HYPERLINK l _Toc263927067 1 绪论 PAGEREF _Toc263927067 h 1 HYPERLINK l _Toc263927068 课题的目的和意义 PAGEREF

5、_Toc263927068 h 1 HYPERLINK l _Toc263927069 1.2 国内相位差测量研究现状概述 PAGEREF _Toc263927069 h 1 HYPERLINK l _Toc263927070 1.3 主要研究内容 PAGEREF _Toc263927070 h 2 HYPERLINK l _Toc263927071 2 相位测试方案 PAGEREF _Toc263927071 h 3 HYPERLINK l _Toc263927072 2.1 相位和相位差的概念 PAGEREF _Toc263927072 h 3 HYPERLINK l _Toc263927

6、073 2.2 测量方案 PAGEREF _Toc263927073 h 3 HYPERLINK l _Toc263927074 2.2.1 方案一：相位电压法 PAGEREF _Toc263927074 h 3 HYPERLINK l _Toc263927075 2.2.2 方案二：通过倍频电路实现相位差的测量 PAGEREF _Toc263927075 h 4 HYPERLINK l _Toc263927076 方案三：相位一时间法 PAGEREF _Toc263927076 h 5 HYPERLINK l _Toc263927077 方案四：0360相位测量法 PAGEREF _Toc2

7、63927077 h 6 HYPERLINK l _Toc263927078 3 相位测试仪总体设计 PAGEREF _Toc263927078 h 8 HYPERLINK l _Toc263927079 3.1 设计要求 PAGEREF _Toc263927079 h 8 HYPERLINK l _Toc263927080 3.2 设计方案 PAGEREF _Toc263927080 h 8 HYPERLINK l _Toc263927081 原理及框图 PAGEREF _Toc263927081 h 8 HYPERLINK l _Toc263927082 框图说明 PAGEREF _Toc

8、263927082 h 9 HYPERLINK l _Toc263927083 硬件设计 PAGEREF _Toc263927083 h 10 HYPERLINK l _Toc263927084 移相网路 PAGEREF _Toc263927084 h 10 HYPERLINK l _Toc263927085 放大整形电路 PAGEREF _Toc263927085 h 12 HYPERLINK l _Toc263927086 鉴相电路 PAGEREF _Toc263927086 h 14 HYPERLINK l _Toc263927087 单片机电路 PAGEREF _Toc26392708

9、7 h 16 HYPERLINK l _Toc263927088 3.3.5 显示电路 PAGEREF _Toc263927088 h 18 HYPERLINK l _Toc263927089 软件设计 PAGEREF _Toc263927089 h 20 HYPERLINK l _Toc263927090 3.4.1 软件测量原理 PAGEREF _Toc263927090 h 20 HYPERLINK l _Toc263927091 3.4.2 主程序流程图 PAGEREF _Toc263927091 h 21 HYPERLINK l _Toc263927092 3.4.3 初始化介绍 P

10、AGEREF _Toc263927092 h 21 HYPERLINK l _Toc263927093 3.4.4 计数测量子程序 PAGEREF _Toc263927093 h 23 HYPERLINK l _Toc263927094 3.4.5 显示子程序 PAGEREF _Toc263927094 h 23 HYPERLINK l _Toc263927095 4 硬件电路制作与调试 PAGEREF _Toc263927095 h 24 HYPERLINK l _Toc263927096 4.1 元件焊接 PAGEREF _Toc263927096 h 24 HYPERLINK l _To

11、c263927097 4.2 电路调试 PAGEREF _Toc263927097 h 24 HYPERLINK l _Toc263927098 5 设计总结 PAGEREF _Toc263927098 h 26 HYPERLINK l _Toc263927099 致 谢 PAGEREF _Toc263927099 h 27 HYPERLINK l _Toc263927100 参 考 文 献 PAGEREF _Toc263927100 h 28 HYPERLINK l _Toc263927101 附 录 程序 PAGEREF _Toc263927101 h 29 HYPERLINK l _To

12、c263927102 附 录II 原理图 PAGEREF _Toc263927102 h 34 HYPERLINK l _Toc263927103 附 录 PCB图 PAGEREF _Toc263927103 h 361 绪论本课题是数字式相位测试仪的设计与实现。目的在于通过对数字式相位测试仪的工作原理分析、硬件的设计以及程序的编写，设计出一个经济、实用的数字相位测试仪。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

13、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。相位测试仪是一种应用非常广泛的电子测量仪器。随着科学技术的发展，相位测量技术的应用已深入到许多领域和部门，如:电力部门、机械部门、航空航天、地质勘探、海底资源等。正确使用相位测量技术可以解决电气、电子及其它非电量测量的许多问题。例如:(1)测量网络的传输特性只要测出幅频特性及相频特性，就可了解网络的全部传输特性。(2)测量谐振频率根据谐振时其相位为零特性即可求出其谐振频率。(3)测量时延特性通过测量被测网络的相位，可得到被测网络的相时延频率特性及群时延频率特性。(4)测量和校正伺服系统，伺服系统是自动控制的重要组成部分，因

14、其电动机、解调器等都设计成响应于同相信号，故它需要经常测量信号的相位。(5)测量距离和方向在相位导航系统中，接收机同时接受两个基本点发射机传来的信号，每个信号的相位与发射机与接收机的距离成正比，故求得相位差即可确定飞机及船舰所处的位置。(6)测量厚度及金属探伤。(7)电压、电流间相位差及功率因数的测量等。由此可见，相位计和相位测量技术广泛用于农业生产、医疗、勘探、电力、航空航天、地震预报、石油冶金等多种行业。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 国内相位差测量研究现状概述传统的测量方法很多，有示波器测量法，将相位差转化为时间间隔法，电压测量法，零示法等。通常的测量方法

15、是对两个输入信号进行调理，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开停，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。而计数电路计数是以时钟信号的上升沿为触发信号的，所以由这种方法测得内的时钟脉冲个数N，仅仅反映了内所包含的时钟脉冲上升沿的个数，无法准确的反映鉴相脉宽Z。这是由计数方法本身所带来的误差，在相位差测量中是无法避免的。当相位差脉宽远远大于用于计数的高频时钟脉冲周期时，这个误差完全可以忽略不计。在实际的测量电路中，由于受限于电子元器件物理特性的影响，前端的信号调理电路和过零检测电路势必会带来方

16、波信号相对于输入信号过零点的偏移，所以得到的方波信号的相位实际上是原始输入信号的相位和调理电路及过零检测电路导致相位差的综合相位。这些都是相位差测量中不得不考虑的误差。在测量精度要求比较高，尤其相位差相对比较小时，我们都必须提高计数标准时钟脉冲的频率，即填充脉冲的频率。这就增加了设计本身的难度，也提高了选用元器件的要求。而在传统的测量方法中，当相位差的脉冲宽度小于计数脉冲宽度时，相位差更是无法测量。因此，我们必须设计出一种新的测量方法来实现更高精度相位差的测量。1.3 主要研究内容本毕业设计研究的内容有：相位测试仪的方案分析；数字式相位测试仪的电路工作原理及硬件设计；软件设计；安装调试及结论与

17、分析。该相位测试仪的测量范围为0-99，采用两位数字显示，最大显示值为99，精度为1读数单位统一采用度（）。具有测量方法简单、读数方便的特点。该测试仪以单片机对时间的捕捉作为测量依据，因为两个信号的相位差被转化为与时间有关的参量，所以通过单片机对时间的捕捉计数，计算后再送到显示系统就能测量出两个信号的相位差。软件设计程序使用汇编语言编写，由主程序、串转并服务子程序、乘法子程序、除法子程序等模块组成。通过电路设计，制作，软件编程验证成功等步骤后对该仪器进行安装与调试。安装前先将汇编语言源程序用软件写入AT89S51芯片中。安装好后要进行调试，调试工作主要是通过对电路中各个电路进行检查，以此来校准

18、测量精度。2 相位测试方案2.1 相位和相位差的概念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=Isin2ft。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。在三角函数中2ft相当于角度，它反映了交流电任何时刻所处的状态，是在增大还是在减小，是正的还是负的等等。因此把2ft叫做相位，或者叫做相。 如果t等于零的时候，i并不等于零，公式应该改成i=Isin(2ft+)。那么2ft+叫做相位，叫做初相位，或者叫

19、做初相。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。例如研究加在电路上的交流电压和通过这个电路的交流电流的相位差。如果电路是纯电阻，那么交流电压和电流的相位差等于零。也就是说交流电压等于零的时候，交流电流也等于零，交流电压变到最大值的时候，交流电流也变到最大值。这种情况叫做同相位，或者叫做同相。如果电路含有电感和电容，交流电压和交流电流的相位差一般是不等于零，也就是说一般是不同相的，或者电压超前于电流，或者电流超前于电压。加在晶体管放大器基极上的交流电压和从集电极输出的

20、交流电压，这两者的相位差正好等于180。这种情况叫做反相位，或者叫做反相。2.2 测量方案测量相位的方法很多，总的来讲无外乎以下几种：直接使用示波器，相位差转换为电压与标准移相器比较（零示法），相位差转换为时间间隔，或模拟或数字，下面介绍几种测量相位差的方法。2. 方案一：相位电压法相位电压法的实现原理如下：本方案的两路信号是以输入电压作为基准信号Fs，经过一个RC电路后提取电流信号Fr经电压比较器整形为方波信号，再2分频后得到的FS2与FR2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，再经过RC电路积分后进行A/D转换。根据相位差与电平成正比的关系，由芯片I

21、CL7136组成的显示校正网络得到相位差值。图中的D触发器用于判断FR与FS的相位关系，当Q为1时，FR超前FS，相位取正值，符号位显示全黑；当Q为0时，FR滞后于FS，相位取负值，符号位显示“-”。其总体原理方框图和测量波形图分别如图2-1和图2-2。 图2-1 方案一总体原理方框图 图2-2 测量波形图在上图中有,其中T为鉴相之后的波形周期，v为波形高度14。2. 方案二：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

22、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为W，脉冲周期为T/A，可得到两信号相位差计算公式如下： (2-1)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2-312。图2-3倍频电路实现相位差原理图2.方案三：相位一时间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

23、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。如图2-4：正选输入信号移相网路电压比较器1电压比较器2单片机系统显示图2-4利用单片机计数器的测量法MCS51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，

24、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13。（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。如图2-5：图2-5利用外部晶振计数的测量法2.2.4 方案四：0360相位测量法0360相位测量原理如下;I、U分别经过电流采样器和电压互感器后， 其输出信号、经过、过零检测器后， 输出信号、 分别通过两JK 触发器，两JK 触发器的输出

25、信号、经过异或门， 而异或门的输出信号是一个脉冲宽度与I、U(或、)两信号之间相位差成正比例的脉冲序到信号。此脉冲序到信号经过滤波、同相放大器后， 再送入数字电压表中进行相位显示，框图如2-6：U电流采样器过零比较器JK触发器电压互感器过零比较器JK触发器异或门滤波、同相放大器显示I图26 原理框图JK 触发器的工作原理：JK触发器选用TTL电路的负边延触发型JK触发器, 其J端、K 端和电源端均接高电平+5V(请注意JK 触发器处在计数状态) 清除端通过R接到电源+5v上，并清除端通过c 接地， 当接通电源瞬间，清除端通过c 处于低电平 使Q端置于低电平；c 逐渐充电完毕，这时清除端通过R处

26、于高电平，如果触发端CP接收到触发脉冲时，Q端由低电平变为高电平； 再来下一个脉冲，Q端又由高电乎变为低电平11。3 相位测试仪总体设计3.1 设计要求 设计并制作一个数字式相位测试仪，其设计要求如下：频率范围：低频。允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在15V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099，分辨力为1。3.2 设计方案原理及框图通过第2章的方案论证，本论文设计原理如下：一信号I经过一移相网络变成与I只有相位不同的另一信号U,此两列信号放别通过两反相放大器，其输出信号又经过两过零检测器，再通过稳压后输出信号、已整形成TTL电平方波，2

27、分频后、经过鉴相电路（如异或鉴相），输出信号是一个脉冲宽度与I、U (或、)两信号之间相位差成正比例的脉冲序到信号。此脉冲序到信号分别输入单片机得两个外部中断口，再利用单片机的定时计数器对其分别计数，经过内部计算将结果送入显示电路显示相位差。原理框图如图3-1:I移相网络放大整形电路放大整形电路二分频电路二分频电路异或鉴相电路单片机显示电路U3-1总体框图 这个方案采用的外部器件较少，电路简单。MCS51单片机的51子系列有两个定时器/计数器，分别记为和。每个定时器/计数器有一个外部输入端（和）、一个十六位的二进值加法计数器（、和、）以及两个内部特殊功能寄存器TMOD和TCON。TMOD用于选

28、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。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。框图说明整个系统由移相网络，放大整形电路，二分频电路，异或鉴相电路，单片机及显示电路组成。（1）移相网络直接对模拟信号移相，如阻容移相，变压器移相等。采用这种方式设计的移相器有许多不足之处，如：输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等。（2）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

29、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LM324用来对输入信号进行放大，以适应测量微弱信号。LM324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。 （3）二分频电路和异或鉴相共同组成鉴相电路。二分频由D触发器构成，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。（4）单片机作为本

30、设计的主要芯片，采用的AT89S51单片机功能强大，每个模块都可以成为独立的单元，也可以相互组合。使用T1计数器设置为捕获功能对异或门输出的脉冲信号进行计数，脉冲的宽度即为两路信号相位差所对应的时间。利用T0计数器捕获功能对i信号的脉宽进行计数，所对应的时间即为信号的周期T。设单片机的定时/计数器T1，T0的计数值分别为N1，N2。i，u两路信号的相位差，有 (31)（5）显示电路由74ls164和数码管组成。74LS164是一个8位串入并出的移位寄存器，其此处的功能是将AT89S51串行通信口输出的串行数据译码并在其并口线上输出，从而驱动LED数码管。移相网路由于本设计只比较相位差，所以要求

31、两列信号的频率等相同，而要两个信号发生器发出的波只有相位差不同很难实现，所以需要移相网络。用一个信号发生器发出的波经过一移相网络后再与原信号相比就只存在相位差了。 采用RC电路的原理可知，阻容移相网络在不同频率的正弦波电压通过RC电路时，输出端的电压幅度和相位与输入不同。两种简单的移相电路如图3-2所示。图32 阻容移相网络在图3-2中，图(a)的模和相角分别为： （32） （33） 图（b）的模和相角分别为： （34） （35） 显然，两种移相网络都是随着频率的改变，单字节RC电路中所产生的移相在090之间变化。为了精确起见并且相位差与频率无关，本设计采用单运放OP07以及R，C组成移相网络

32、，框图如3-3： 假如输入信号为输出信号为。图33 移相网络由上图可得： （36） （37） 假使为正弦波，则 （38）由两列波，可知一个正弦波一个余弦波相位偏移了900，只是相位的幅度有所变化但并不影响相位差，后面过零比较器和稳压管将加以说明，本设计将确定为=0.1k，=100uf，而为信号的频率是不固定的。Op07简介Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳压的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的

33、特点，OP07引脚图 图34 OP07 管脚图OP07芯片引脚功能说明： 1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+ 。放大整形电路（1）放大电路通常，信号发生器输出的电信号是很微弱的，再加上电阻、电容的影响，使其信号更加微弱，导致后面电路对其测量很是困难，并且误差也很大，所以要用放大电路对其放大2。 图3-5反相比例电路反相比例电路如图3-5，该电路由一个运算放大器和几个电阻组成。输入电压通过电阻作用于集成运放的反相输入端，故输出电压与反相。电阻跨接在集成运放的输出端和反相输入端，引入了电压并联负反馈。同相输入端通过电阻接地，为补偿电阻，

34、以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性；其值为=0（即将输入端接地）时反相输入端总等效电阻，即各支电阻的并联，所以=/。由于理想运放的净输入电压和净输入电流均为零，故中电流为零，故中电流为零，所以 =0 （39）=0 （3-10）式（3-9）表明，集成运放两个输入端的电位均为零，但由于它们并没有接地，故称之为“虚地”。节点N的电流方程为= （3-11）（ （3-12）由于N点为虚地，整理得出 （3-13）与成比例关系，比例系数为-/，负号表示与反相。比例系数的数值可以是大于、等于和小于1的任何值。本设计需要对移相过后的信号放大，所以比例系数要大于1，取=10k，=1k，所以/=10，即将信号

35、放大10倍。（2）整形电路 为了得到脉冲以便于后面电路对信号的测量，所以需要一个整形电路对放大后的余弦进行整形，将其变为方波。本电路还是主要由运算放大器组成的过零比较器。过零比较器，顾名思义，其阀值电压=0V。电路如图（a）所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+或-。当输入电压0V时，=+；当0V时，=-。因此，电压传输特性如图（b）所示。若想获得跃变方向相反的电压传输特性，则应在图（a）所示电路中将反相输入端接地，而在同相输入端接输入电压。图3-6 过零比较器及其电压传输特性在实用电路中为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的和，如图（c）所示。（c）两

36、只稳压管稳压值不同 (d)两只稳压管稳压值相同图3-7 电压比较器的输出限幅电路图中R为限流电阻，两只稳压管的稳定电压均应小于集成运放的最大输出电压。设稳压管的稳定电压为，的稳定电压；和的正向导通电压均为。当0时，由于集成运放的输出电压=+，使工作在稳压状态，工作在正向导通状态，所以输出电压=+（+）。当0，由于集成运放输出电压=-，使工作在稳压状态，工作在正向导通状态，所以输出电压= -（+）。若要求=，则可以采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管，其符号如图（d）所示，稳定电压标为。当0时，=+；当0时，=-。前面提到的影响信号的幅度，在这里用到了过零比较器和稳压管后，幅值的大小以与无关，

37、由稳压管的稳定电压决定。（3）LM324介绍本设计用的集成运算放大器为LM324。LM324是四运放集成电路，它采用14管脚双列直插塑料（陶瓷）封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图38。 图38 LM324功能

38、引脚图LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。鉴相电路（1）二分频电路二分频电路由双D触发器74ls74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。连接如下图39。 图39 双D触发器74ls74（2）异或电路 这里就用了一个异或门74ls86，异或是这样一种关系：当A、B不同时，输出Y为1；而当

39、A、B相同时，输出Y为1。同样将两路被测量信号分别通过放大和过零比较器整形后形成的两路矩形波，经二分频后直接进入异或门的两个输入端再由输出端输出异或过后的方波，超前信号的前沿对应方波的前沿，滞后信号的前沿对应方波的后沿，这个方波的宽度就是两个信号的差距。74ls86是常用的 TTL 2输入端四异或门 在数字电路中常用，对应的coms器件是74hc86特点是电源功耗很低。他的电源电压4.75-5.25V，他能和7486， CT4086， DG74LS86， LH74LS86等元件相互代换。两个二分频和一个异或门组成鉴相电路，时序逻辑图如下图3-10，经二分频后的图3-10 整形及分频后的信号波形

40、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。单片机电路 单片机作为本次设计的核心元件，其作用是将经过异或门的方波脉冲与一基准信号脉冲通过两外部中断口，在经过单片机本身强大的计算能力计算出相位差，在经过串行输出口将结果送到显示电路上显示7。AT89S51单片机是低功耗的具有4kB在线编程Flash存储器的单片机。它与通用80C51系列单片机的指令

41、系统和引脚兼容。片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用通用非易失性存储器编程器编程。它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能价格比的微控制器。与AT89C51相比，AT89S51具有更突出的优点，主要表现在：1)新增加了在线编程功能ISP（In-System Program），在现场程序调试和修改更加方便灵活；2）数据指针增加到两个，方便了对片外RAM的访问过程；3）新增加了片内看门狗定时器WDT，提高了系统的抗干扰能力；4）增加了断电标志；5）增加了掉电状态下的中断恢复模式。AT89S51与AT89C51完全兼容。使用AT89C51单

42、片机的系统，在充分保留原来软/硬件的条件下，完全可以用AT89S51取代。AT89S51具有PDIP，TQFP和PLCC三种封装形式。本设计采用的是PDIP封装形式。如图3-11图3-11 PDIP封装形式本设计中单片机数据运算控制电路的硬件可由单片机、晶振复位电路及显示接口电路等组成，如图3-12：图3-12 单片机系统原理图其中晶振电路和复位电路都采用通用的接法。显示电路在后面章节将详述6。RESET/VPD：复位输入端，高电平有效。可以使单片机处于复位（即初始化）工作状态。通常，单片机有自动上电复位和人工按钮复位两种。本设计使用自动上电复位，由8.2k的电阻和100uf的电容组成。XTA

43、L1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端口用来外接石英晶体和微调电容，即用过来连接单片机内OSC的定时反馈回路，相应电路如图3-11的时钟部分。石英晶振起振后应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS16MHz，典型的为12MHz或11.0592MHz，本次晶振频率为6MHz。两个电容分别为30pf，可以帮助起振。表3-1所列。 表3-1 P3 口的替代功能引脚符号说明RXD串行口输入TXD串行口输出外部中断0外部中断1T0T0定时器的外部计数输入T1T1定时器的外部计数输入外部数据存储器的写选通外部数据存储器的读选通为了将串行数据转化成并行输出，将P3.1接入74ls1

44、64的时钟输入端，而串行输入端接P3.0。这样就把串行数据转化到移位寄存器74ls164中。P3.2和P3.3为外部中断入口，P3.3接经过异或门的方波，而P3.2接经过整形后的方波。本设计还用到了P2.1、P2.2，分别接数码管的阳极K，直接控制两个数码管的导通与否。VCC电源电压输入端。Vss电源地。 显示电路 图 3-13 显示电路图显示电路由1片1位串入8位并出的74LS164芯片两个数码管组成。这种显示方式不仅可以得到较为简单的硬件电路，而且可以得到稳定的数据输出；这种连接方式不仅占用单片机端口少，而且充分利用了单片机的资源，容易掌握其编码规律，简化了软件编程，在实验过程中，也体现出

45、较高的可靠性。如图3-13（1）74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器，在单片机系统中，如果并行口的IO资源不够，而串行口又没有其他的作用，那么我们可以用74LS164来扩展并行IO口，节约单片机资源。引脚图和真值表如图3-14和表3-2： 图3-14 74ls164引脚图其中; QAQH并行输出端 。 A,B串行输入端。 清除端， 为0时，输出清零。 CP 时钟输入端1。 表3-2 74ls164真值表 在本系统中，74LS164的连接方式为：74LS164的输出QHQA分别接LED数码管的dp、g、f、e、d、c、b、a，时钟CLK连接单片机的TXD端，芯片的AB端连接单片机的R

46、XD端。（2）常用的7段LED显示器由7个发光二极管按“日”字形排列，所有发光二极管的阳极连接在一起称为“共阳LED”，所有阴极连接在一起称为“共阴LED”。当选用共阴极LED显示时，如果共阴极端接地，则某个发光二极管的阳极加上高电平时，对应的发光二极管点亮。因此，要显示某字形就应该使此字形的相应段的二极管点亮，实际上就是送一个用不同电平组合代表的数据字来控制LED的显示，此数据称为字符的“段码”。字符数据字与LED段码的关系如表3-3： 表3-3 段码与数据字关系显 示 数 码段 码显 示 数 码段 码00C0H880H10F9H990H20A4HA88H30B0HB83H499HC0C6H

47、592HD0A1H682HE86H70F8HF8EHLED显示器的控制原理LED显示器的控制方式有静态显示和动态显示两种。a静态显示所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定导通或截至。这种显示方式的每一位都需要有1个8位输出口控制。静态显示时，用较小的电流就能得到较高的亮度。当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是合适的。当位数较多时，所需的I/O线较多，例如本设计，一般就采用动态显示方法。b动态显示 动态显示就是逐位扫描轮流显示。在这种显示控制方法中，显示器分时工作，每 只能有一个器件显示，由于人的视觉暂留，所以从宏观上看起来仍然是所有器件都在示 软件测量原理采用AT

48、89S51汇编编程，软件程序包括主程序、乘法子程序、除法子程序、技术测量子程序和显示子程序等构成，子程序1捕获相位差脉冲，（如果想减小误差可以多测量次取平均值）计数值为N1， 子程序2捕获周期信号的脉冲，计数值为N2，根据算出相位差并送LED显示。 主程序流程图系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统有初始化模块、计数测量模块（乘除法子程序模块）和显示子程序模块等各种功能模块组成，如图3-15所示。上电后，进入系统初始化模块，系统软件开始运行。在执行过程中，根据运行流程分别调用各个功能模块完成相位差测量和测量结果显示。显示子程序 采用计数器1，测量代表相位差的脉冲宽度调用除法子程序，求相位差结

49、 束T1、T0初始化开 始 启动计数器0，测量周期信号T调用乘法子程序图3-15 主程序流程图 初始化介绍MCS-51的单片机内有两个16位可编程的定时/计数器，它们具有四种工作方式，其控制字和状态均在相应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，就可方便地选择适当的工作方式8。TMOD和TCON这两个特殊功能寄存器的格式参见下表：(1)定时/计数器的方式控制字TMOD，字节地址为89H，CPU可以通过字节传送指令来设定TMOD中各位的状态，但不能用位寻址指令改变。其各定义如表3-4：表3-4 TMOD寄存器其中M1和M0为方式控制位，00为方式0，01为方式1，10为方式2，11为方式3。

50、C/为定时器/计数器的模式控制位，0为定时器模式，1为计数器模式。GATA为门控位，0为与中断无关，1为与中断有关。本文与中断无关用计数模式且用方式1，所以对TMOD初始化值为01010101B，即55H。(2)定时器控制寄存器TCON，字节地址为88H，位地址为88H8FH，其格式如表3-5：表3-5 TCON寄存器8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88HD7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0其中，TR0和TR1分别用于控制内部定时器/计数器T0和T1的启动和停止。TF0和TF1用于标志T0和T1计数器是否产生了溢出中断请求。IT0和IT1为

51、触发标志位。IE0和IE1为中断标志位。MCS-51单片机内部的定时/计数器的结构如图3-15所示，定时器T0特性功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）构成，定时器T1由特性功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）构成。特殊功能寄存器TMOD控制定时寄存器的工作方式，TCON则用于控制定时器T0和T1的启动和停止计数，同时管理定时器T0和T1的溢出标志等。程序开始时需对TL0、TH0、TL1和TH1进行初始化编程，以定义它们的工作方式和控制T0和T1的计数。为了精确，本设计循环一次就对TL0、TH0、TL1、TH1清一次零，即送00H。（程序见附录）图3-16 MCS-51定时/计数

52、器结构图 计数测量子程序 计数测量包括乘法和除法子程序，除法子程序流程如图3-16;开始Y除法=0？结束Y商大于双字节？NB 16Cy 0 R0R1R2R3左移一位F0 被除数最高位 R0R1-R6R7够减？NY余数送R4R5，商加1N除法完成?结束YF0 0F0 1 图 3-16 除法子程序流程图 显示子程序显示数据由单片机的串行口送出口提供并行移位的时钟信号口控制数码管是否导通。显示子程序主要就是一个串行转并行的程序和数码编码的程序。（见附录程序）4 硬件电路制作与调试4.1 元件焊接元件焊接有焊前处理、焊接和检查焊接质量三个步骤，这三个步骤都很重要，尤其是最后的焊接检查更是必不可少，在焊

53、接质量检查时，主要检查焊点是否光亮圆滑，有无假焊和虚焊，这时要将不合格的焊点重新焊接。在组装焊接时要求高，如认真和细心，任何马虎都会给后续的调试工作留下隐患，严重的甚至会危及系统的指标。本次数字式相位测试仪设计焊接实物图如图4-1所示。图4-1 频率计实物图4.2 电路调试电子系统的调试通常有两种方法。一种方法是采用边安装边调试的方法。也就是把电子系统按原理框图上的功能分块进行安装调试，在完成功能模块调试的基础上逐步扩大安装和调试范围，最后完成整个系统的调试。另一种方法是整个电路安装完毕，实行一次性调试。这种方法适合于定型产品或需要配合才能运行的产品。这里采用第二种方法。首先，通电前检查，在元

54、件焊接完成后，检查电路各部分接线是否正确，检查电源、电线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。其次，通电检查，将电源接入电子系统，观察各部分器件有无异常。然后，模块调试，本次调试中主要查看了数码管的工作状况。最后，是系统联调，将写好的程序烧入单片机中，并给系统加输入信号，观察是否出现预期的实验效果。5 设计总结 本次毕业设计从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。遇到困难，我会觉得无从下手，不知从何做起；当困难解决了，我会觉得豁然开朗，思路打开了；当论文经过一次次的修改后，我就觉的很有成就感。本次毕业设计我受益匪浅，通过这次的毕业设计，我更

55、加熟练了如何使用PROTEL软件画硬件原理图，并体会到PROTEL 的诸多优点。这一软件集成了包括电路原理设计、应刷电路板设计、自动布线等诸多功能，并通过简便直观的用户界面，为电子系统设计者提供了一个方便快捷的操作手段。也熟练了Keil C51软件的使用方法，并且使自己的编程能力有所提高。通过这次的研究设计，使我也更加熟悉了电子系统设计的步骤，对其整个过程有了系统的认识与了解，锻炼和提高了自己分析问题解决问题的能力。归纳起来，在整个论文的设计中，首先介绍了相位测试仪的目的意义以及国内外的发展现状，还有相位和相位差的概念。然后介绍了相位测试仪的方案，最后针对相位测试仪的特性确定设计原理、思路及方

56、法，具体介绍了进行系统硬件和软件的设计过程。通过系统实现和论文设计的过程，使我对基于单片机的相位测试仪的原理及应用有了更进一步的认识，并且熟练掌握了进行计算机硬件系统设计的一般原理及方法。通过几个月的努力，即将完成论文，当然由于本人精力和时间有限，本论文中或多或少会存在一些缺点，所设计的软件难免存在一些不足，还恳请各位老师和同学给与批评和指正。致 谢 这次毕业论文能够得以顺利完成，并非我一人之功劳，是所有指导过我的老师，帮助过我的同学对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！ 感谢我的指导老师王进军老师，没有您的悉心指导就没有这篇论文的顺利完成。 感谢所有带过我的老师，四年

57、的生活相处不久，却从他们身上学到了太多，必将终身受益。感谢身边所有的朋友与同学，谢谢你们四年来的关照与宽容，与你们一起走过的缤纷时代，将会是我一生最珍贵的回忆，感谢你们在我失意时给我鼓励，在失落时给我支持，感谢你们和我一路走来，让我在此过程中倍感温暖！ 参 考 文 献4 包兴 胡明著. 电子器件导论.北京理工大学出版社.2001.5 俞斌 贾雅琼 汤群芳 电子产品世界.19986 HYPERLINK :/book2.duxiu /search?channel=search&sw=胡健&Field=2 t _blank 胡健主编 HYPERLINK :/book2.duxiu /search?channel=search&