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低频数字相位测量仪
摘要
该低频数字相位测量仪以SPCE061A最小系统为控制核心，由移相网络，相位测试仪，数字移相信号发生器，键盘/显示等功能模块组成。其中移相网络由阻容网络构成。相位测试仪对移相信号进行处理后进入单片机，由单片机计算显示相位差。数字移相信号发生器由单片机控制实现，通过键盘/显示模块实现参数预置以及数据显示，。本硬件电路用了EDA工具，软件设计采用模块化的编程方法。经过分析实测，该测量仪能够测量的正弦信号的频率范围为20Hz～20kHz,，峰～峰值可以分 别 在1v～5v范围内变化，而且输入阻抗大于100k。并且可以测量频率，直接数字显示出来，达到了一些基本要求。移相网络输入信号频率范围达到20Hz～20k，连续移相范围达到了-45～45，输出的正弦信号峰～峰值可以分别在1～5v范围内变化，实现了题目要求。
关键词：移相 单片机
一 方案比较与论证
方案一：将被测量输入信号通过模拟鉴相器鉴相，将模拟鉴相器的输出电压进行A/D转换，由单片机处理后显示数据。
方案二：将被测量信号输入波形经比较器整形后，利用门电路鉴相，在通过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，由单片机经过查表或简单的计算处理后得到相位差值。
方案三：鉴相部分与方案二相同。将整形出来的两路数字信号相与后，形成新的数字信号，用单片机测量出其波形宽度，经过简单的换算后，即可以得出要测量的相位差值。
经过比较，方案一中被测信号的输出电压幅值变化比较大，难以满足鉴相器的输入要求。方案二中，积分电路输出波动会很大，相位精度不能保证。方案三的相位精度受频率影响小，容易控制，稳定性高，可以实现较高的精度，因此采用此方案。其系统框图如下：
二 基本测量原理与方案实现
1．基本测量原理
所谓移相是指两种同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的移动，即称为是相位的移动。两路信号的相位不同，便存在相位差，简称相差。若我们将一个信号周期看作是360，则相差的范围就在0°～360°。：两个同频信号之间的移相，是电子行业继电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段，利用移相原理可以制作校验各种有关相位的仪器仪表、继电保护装置的信号源。因此，移相技术有着广泛的实用价值。我们知道，将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。以延时的长短来决定两信号间的相位值。这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。也就是说，只要能够测量出该延迟时间，我们就可以推算出其相位差值。
2．方案实现
本系统由移相网络，相位测量仪，数字移相信号发生器组成。其中相位测量仪由单限
（过零）比较器，逻辑门电路，单片机系统组成。数字式移相信号发生器由单片机软件编程实现，频率可调并可以步进。移相网络由相位超前，滞后网络及放大电路组成。键盘电路与显示电路用来预置初始状态与显示结果。
（1）移相网络：
具体电路图如图1。在该电路中相角和电压幅值均可以改变。本电路中第一部分是由741和RC网络所构成的超前移相电路和滞后移相电路，第二部分为TL072运算放大器构成的低噪声高增益放大电路。调节RR，R4可以改变输出电压幅度，R3为调零相位电。
超前，滞后网络的相关理论：（如下图）
对于超前网络：
关于滞后网络：
根据题目要求，不同情况下具体的参数由上述公式计算。
注意：具体调试电路的时候应根据以上公式，当输入频率改变的时候，应改变超前，滞后网络中R，C参数，此时才可以改变相位差。
（2）相位测量电路 其框图如下：
具体电路如图2
将两同频信号移相信号经过过零比较器后整形为方波信号A，B。为了能够更加精确地测量相位差，我们将信号A，B相与，A与B取反后再相与。（如下图所示）输出波形经单片机记数测量出其波形宽度，即可以计算出周期及相位差。
假设单片机时钟周期为f1，周期 T1=1/f1, 输入信号频率为 f2，T2=1/f2
一个周期对应360度，所以单位时间对应的相位值为T2/360.
如果单片机检测到的波形脉冲宽度为T，则对应的相位差值为： T*T2/360
而T的确定，由单片机产生高频率的时钟信号，,对输入信号进行扫描，即与输入信号进行逻辑与运算。 输入信号为低电平时，没有时钟脉冲输出；为高电平时输出时钟信号，对其进行记数，假设为N，就可以计算出脉宽，为 N*T1 ，即 T=N*T1 。
从上面的的波形图可以看出，对 A∧B 信输出信号的脉宽并不是A，B信号的相位差值，而是与相位差相加起来为半个周期（T1/2）的值，因此，由此信号计算出A，B的相位差为 （T1/2—T）*T2/360
对 A∧B非 的输出信号检测的脉宽，则是A，B信号相位差的直接反应，此时相位差值为 T*T2/360 。
为什么要分开两种测量方法呢？这主要是考虑到减少误差的问题。当A，B信号相位差值很小的时候，测量 A∧B非 输出信号的误差大，不适宜直接测量，此时应测量 A∧B 后的信号。当A，B相位差很大时，此时测 A∧B非 的输出信号误差比较小，不适宜测量
A∧B 的信号。
（3）数字移相信号发生器
此部分电路完全由单片机编程来控制实现。其具体过程如下：将正弦波信号数字化成，并形一张数据表存入ROM芯片中，此后在单片机的控制下连续地循环输出该数据表，就可获得两路正弦波信号，当数据序列完全相同时，则转换所得到的两路正弦波信号无相位差，称为同相。当数据序列不同时，则转换所得到的两路正弦波信号就存在着相位差。相位差的值与数据表中数据的总个数及数据地址的偏移量有关。这种处理方式的实质是将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值。正弦信号数据表见程序。 数据表
（4）显示电路 采用串行数据输入，本系统采用六位数码管显示。 F
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