低頻相位測量儀硬件電路設計低頻相位測量儀硬件電路設計摘 要1°。相位測量模塊承受對輸入的兩路信號〔同頻率、不同相位〕的電路系統相比，其有處理速度快、穩定性高、性價比高的優點。關鍵詞相位差單片機低頻誤差I低頻相位測量儀硬件電路設計1.1 課題爭論內容MCU芯片和小規模的集成電路構成。〔對應的時間差。以上局部構成了相位測量系統的相位測量電路[3]。鍵盤處理等，最終得到我們所要的相位值，并將其通過數碼管顯示出來。方案選擇設計方案論證信號，也是被測信號，他們是兩個同頻率的正弦信號，頻率范圍為20Hz~20KHz〔正好是音頻范圍PP=1~5〔0.3~5相位和相位差的概念[4]：令正弦信號為：

AtAm

0

〔2.1〕Am稱為幅值〔最大值A

A，A稱為有效值；tt 稱2020

稱為角頻率。Am、、0

稱為正弦量的三要素。〔正弦號為：AtA sint 11

01 〔2.2〕則相位差：

A t A2

sin

t02t01

t02

01

〔2.3〕2.3式中可看出，相位差在數值上等于初相位之差，是一個角度不妨令T

，其中T

是相位差對應的時間差，且令T為信號周期，則有比例1低頻相位測量儀硬件電路設計關系：可以推導得到：

T:360 T: 〔2.4〕T/T360 〔2.5〕2.5中可以說明，相位差與T

一一對應，可以通過測量時間差T

及信號周期T，計算得到相位差，這就是相位差的根本測量原理。T

及信號周期T的測量，也就是時間的測量，而時間的測量不行避開地要用到電子計數器。們對方案的選擇，MCU應用系統一般能較好的實現各種不同的測量及掌握功能，往MCU實現系統功能，完成系統指標。相位差測量方案選擇相位差測量的根本原理[5]主要有三種：對信號波形的變換和比較、對傅氏級數的運算及對三角函數的運算，其實現方法如下：過零點檢測法[6]：這是一種將相位測量變為時間測量的方法，其原理是將基準信該方法還具有測量區分率高、線性好、易數學化等優點。得到直流電壓：Vkcos 〔2.6〕電路的輸出和被測信號相位差余弦成比例，因此其測量范圍在45°以內，欲使測量范圍擴展到360°，需要附加一些電路才能做到。這種方法由于應用了積分環節，可以濾掉信號波形中的高次諧波，抑制了諧波對測量準確度的影響。2低頻相位測量儀硬件電路設計率一樣,運算器運用減法器則合成矢量的模：V2Esin2

〔2.7〕這種方法用于測量小角度，靈敏度較好，可行度也較好；而在靠近180°四周靈頻帶范圍是較寬的信號。種原理構成。系統原理原理框圖以單片機為核心的相位測量儀原理框圖如圖3-1所示：圖3-1 以MCU為核心的相位測量儀原理框圖同相位的矩形波。相位差的測量AB中，正脈沖寬度就是要測量的AB相位差所對應的時間差T3-2所示〔C為鑒相器即異或門的輸3低頻相位測量儀硬件電路設計出波形：圖3-2 鑒相器的輸出及輸入波形圖〔A超前ABMCU內部定時器/計數器的啟動/停頓，從而到達測量時間差T從而計算得到相位差。

的目的，再依據公式T

〔3.1〕3-2ABA信號的二倍頻AB同頻講，異或門可以實現信號的二倍頻。MCU測量時間差及周期下面具體談談MCU測量時間差、周期[7]的方法。他們是T、T。MCU芯片內部的硬件定時器/計數器有三個特點：0 1第一：定時器/計數器可以與CPU并行工作；單片機的定時器/計數器受TMOD及TCON的掌握，如圖3-3所示：4低頻相位測量儀硬件電路設計圖3-3 TMOD和TCONGATE=TI=INI引腳的外部信號掌握定時器是純硬件掌握方式。停頓，是軟、硬件結合的掌握方式。1技術，而定時器/計數器的工作啟動、停頓承受外部硬件掌握。系統硬件電路設計MCU為核心的方案來完成低頻相位測量儀的設計[8]。本設計將硬的特點。最終，由顯示模塊顯示出所測量計算的相位差。相位測量模塊設計起到了波形轉換及整形的功能。輸入電路設計輸入電路信號的相位差，需要對輸入波形進展整形[9]，使輸入信號變成矩形波信號，并送給鑒相器進展處理。5低頻相位測量儀硬件電路設計生相對相移，或者應當是的兩路被測信號在整形輸入電路中引起的附加相移是一樣A、B兩路信號承受了一樣的整形電路。的整形電路。由于施密特觸發器是在單門限電壓比較器的根底上引入了正反響網絡，0U0

的變化而變化，從而使施密特觸發器有兩個門限電壓，所以可以提高輸入電路的抗干擾力量。如圖4-1所示，電路中我們使用兩個施密特觸發器對兩路被測輸入信號進展整形。在圖 4-1中，比較器LM339連接成了施密特觸發器的形式。為了保證輸入電路對相位差的測量不帶來誤差，必需保證兩個施密特觸發器的兩個門限電平對應相等，這可以通過調整電位器8R來實現。8圖4-1 由施密特觸發器構成的整形電路LM339的特性分析LM3392-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；比照較信號源的內阻限制較寬；6低頻相位測量儀硬件電路設計差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；輸出端電位可敏捷便利地選用。4-2LM339使用敏捷，應用廣泛，所以世界上各大IC生產廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數根本全都，可互換使用。圖4-2 LM339外型及管腳排列圖LM339類似于增益不行調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓〔也稱為門LM339輸入共典范圍的任何一點壓。當“+”端電壓高于“--”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差異大于10mVLM339用在弱信號檢測等場合是比較抱負的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶〔3—15K在一起使用。鑒相器鑒相器就是我們所說的異或門電路[11]T的作用。在這里我們選用的是74LS86芯片。7低頻相位測量儀硬件電路設計74LS86為四組24-3所示：圖4-3 74LS86管腳圖引出端符號：1A－4A ，1B －4B為輸入端；1Y－4Y為輸出端。其規律表達式為：

YABABAB 〔4.1〕所以，其真值表如表4-1所示：4-1輸入74LS86真值表輸出ABYLLLLHHHLHHHL相位測量電路設計為：T:360 T: 〔4.2〕8低頻相位測量儀硬件電路設計可以通過測量時間差T及信號周期T，計算得到相位差。相位測量原理4-4UA、UB經過運算放大器N1、N2過零檢測之后，其輸出信號U、U 分別通兩JK觸發器，兩個JK觸發C DUA、UB兩信號之間相位查成正比的脈沖序列信號。再將此脈沖序列信號送入到單片機外部中斷口，進展數據處理[12]。圖4-4 相位測量電路電路圖其各點的輸出波形如圖4-5所示：9低頻相位測量儀硬件電路設計圖4-5 相位測量電路各點波形圖單元電路的工作原理JK1為例來說明一下它們的工作原理：JKJ端、K端和電源端均接高電平+5V上〔JK1處在計數狀態R10接到電源+5V上，并去除端通過C1接地，當接通電源瞬間，去除端通過C1處于低電平，使Q端置于低電平；C1漸漸充電完畢，這時去除端通過R10處于高電平。假設觸發端C端接收觸發脈沖時，Q端由低電平變為高電平；再來下一個脈沖，Q端又由高電平變為低電平，如此不斷反復。10低頻相位測量儀硬件電路設計74LS113的特性分析74LS113J-K觸發器〔有預置端〕的簡要說明：74S113J-K4-2所示：表4-2 74LS113主要電特性其管腳圖如圖4-6所示：圖4-6 74LS113管腳圖引出端符號：/CP1、/CP2 時鐘輸入端〔下降沿有效〕J1、J2、K1、K2Q1、Q2、/Q1、/Q2/SD1、/SD2

輸出端直接置位端〔低電平有效〕11低頻相位測量儀硬件電路設計輸入輸出PR/CPJK輸入輸出PR/CPJKQ/QLXXXHLH↓LLQO/QOH↓HLHLH↓LHLHH↓HH/QOQOHHXXQO/QO〔說明：H－高電平，L－低電平，X－任意，↓－高到低電平跳變〕單片機最小系統設計INT0、INT1接收AT89C5[13]TMEL8MCS—514KB可編程Flash128*8次寫/擦循環；0——24MHz全靜態工作模式；32I/O線；兩個164-7為單片機最小系統圖。12低頻相位測量儀硬件電路設計圖4-7 AT89C51最小系統電路圖AT89C51主要參數0Hz的靜態規律操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串RAM中的內容，但振蕩器停頓工作并制止其他全部部件工作指導下一個硬件復位。引腳功能說明電源和晶振：GND：地。

圖4-8 40腳雙列直〔DIP〕封裝圖13低頻相位測量儀硬件電路設計XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到內部時鐘發生器。I/O口：8I/O口，也即地址/數據總線復用口。作為為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址〔低8位〕和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。要求外接上拉電阻。P1：P18I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動〔吸取或輸出電流4TTL1U腳被外部信號拉低時會輸出一個電流〔I。UFlash編程和程序校驗期間，P18位地址。P2：P28I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動〔吸取或輸出電流4TTL1U腳被外部信號拉低時會輸出一個電流〔I。U在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器〔例如執行MOVX@DPTR指令時，P2口送出高8位地址數據在訪問8位地址的外部數據存儲〔例如執行MOVX 區中R2存放器中的內容，在整個訪問期間不轉變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它掌握信號。P3：P38I/O口。P3口輸出緩沖級可驅〕4TTLP3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可以作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸U出電流〔I。U14低頻相位測量儀硬件電路設計P3I/O4-4所示：表4-4 89c51—P3口功能表端口引腳端口引腳其次功能P3.0RXD〔串行輸入口〕P3.1TXD〔串行輸出口〕P3.2/INT0〔0〕P3.3/INT1〔1〕P3.4T0〔定時/0〕P3.5T1〔定時/1〕P3.6/WR〔外部數據存儲器寫選通〕P3.7/RD〔外部數據存儲器讀選通〕P3Flash閃速存儲器編程和程序校驗的掌握信號。、INT0INT10、1，輸入。掌握線：期以上高電平使單片機復位。ALE/PROGALE〔地址所存允許〕輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE脈沖。Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖〔PROG。制止ALEMOVX和MOVC指令ALEALE無效。PSEN ：片外程序存儲器選通信號，低電平有效。程序儲存允許〔PSEN 〕輸出15低頻相位測量儀硬件電路設計每個機器周期兩次PSEN 輸出兩個脈沖在此期間當訪問外部數據存儲器，這兩次有效的PSEN 信號不消滅。EA/V ：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器〔地址為pp0000——FFFFEA〔接地LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。EA端為高電平〔接V

端，CPU則執行內部程序存儲中的指令。ccPP+12VVPP

，固然這必需是該器PP件是使用12V的編程電壓V 。PP時鐘電路片機掌握器中的時序電路發出的。單片機的時序就是CPU在執行指令時所需掌握信XTAL1XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構成了穩定的自激振蕩器，其發出的脈沖18、19腳。外接30PF左右。C5，C6CR1.2～12MHZ保證振蕩器穩定牢靠地工作，振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近。圖4-9 AT89C51振蕩電路16低頻相位測量儀硬件電路設計分析可知,只要計數脈沖的間隔相等，則計數值就代表了時間的消逝。由此，單12分頻后獲得的一個脈沖源，計數脈沖的間隔與晶振有關，12M的1微秒。復位電路4-10可以看出，是單片機的按鍵電平復位電路，相當于按復位鍵后復位端通過電阻與Vcc先復位，其作用是使CPU和系統中其他部件都處于一個確定的初始狀態，并從這RST2RST腳兩個機器周期的高電尋常間。看門狗計時完成后RST96AUXR8EH)DISRTORST引腳為低電平，單片機開頭正常工作。圖4-10 AT89C51復位電路17低頻相位測量儀硬件電路設計顯示模塊設計顯示電路[14]4個共陽極7段LED數碼管和4片串入/并行的移位存放器內部的串行口資源，簡化軟件編程。8I/O口掌握，8I/OI/OLED4-11所示是該電路的顯示模塊電路原理管。AT89C51P3.0(RXD)口輸出送往移位存放器74LS164的A、B端，然后將變成的并行數據從輸出端Q0～Q7輸出。然后再將輸18低頻相位測量儀硬件電路設計圖4-11 顯示模塊電路原理圖19低頻相位測量儀硬件電路設計74LS164的特性分析74LS164為8位移位存放器，其主要電特性的典型值如下：當去除端〔CLEAR〕為低電尋常，輸出端〔QA－QH〕輸入端〔A，B〕可掌握數據。當A、B任意一個為低電平，則制止數據輸入，在Q0A、B有一個為高電平，則CLOCKQ0的狀態。CLOCK：CLEAR：A、B：QA－QH：

時鐘輸入端〔低電平有效〕串行數據輸入端輸出端封裝圖如圖4-12所示：圖4-12 74LS164管腳圖74LS1645V4-5所示：20低頻相位測量儀硬件電路設計輸入輸出表4-5 74LS164輸入輸出ClearClockABQAQB?QHLXXXLL?LHLXXQAOQBO?QHOH↑HHHQAN?QGNH↑LXLQAN?QGNH↑XLLQAN?QGN〔說明：H：高電平；L：低電平；X：任意電平；↑：低到高電平跳變；QA0、QB0、QHO：規定的穩態條件建立前的電平；QAN，Q數碼管顯示原理

〕GNLED數碼顯示器是由假設干個發光二極管組成的，當發光二極管導通時，相應的示出不同的字形。光二極管單元〔多一個小數點顯示；按能顯示多少個“81位、2位、4位碼管是指將全部發光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)+5V，當某一字段發光二極管的陰極為低電尋常，將全部發光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)相應字段就點亮。當某一字段的陽極為低電尋常，相應字段就不亮。數碼管的驅動方式要的數字，因此依據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態式和動態式兩類。靜態顯21低頻相位測量儀硬件電路設計I/O5I/O89S51單片機可用I/O32，實際應用時必需增加譯碼驅動器進展驅動，增加了硬件電路的簡單性。8個顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通掌握電路，位選通由各自獨立的I/O線碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的掌握，所以我們只要將需通過分時輪番掌握各個數碼管的的COM端，就使各個數碼管輪番受控顯示，這就是1～2ms，由于人的視覺暫I/O端口，而且功耗更低。在這里，我們承受共陽極數碼管，靜態顯示驅動。共陽極數碼管4-13共陽極構造中，各段發光二極管的陰極連在一起，將此公共點接+5V電源，某一段發光二極管的陰極為低電尋常，該段發光。22低頻相位測量儀硬件電路設計4-13共陰極數碼管構造共陽極字段碼：LED0～9a～dp送固定的字段碼，LED0、b、、d、f各引腳為高電平，gdp為低電平，字段碼為“C0dp g f e d c b a0 0 1 1 1 1 1 1 C0h0～94-6所示4-6共陽極字符表字符01234 56789字符碼C0hF9hA4hB0h99h 92h82hF8h80h90hR5mA~10mA5mA時，就已經很亮了，則：R=U/I=(5-2)/0.005=500(Ω) 〔4.3〕510Ω的限流電阻。電源模塊設計顯示等。它由電源變壓器T1D2，濾波電容，防止自激電容和固定式23低頻相位測量儀硬件電路設計4-14電源模塊電路圖LM7805進展穩壓。溝通電壓經降D3，作為電源狀態指示燈。電路輸出的5V電壓直接可用到單片機與顯示模塊上。LM7805的特性分析機等各種電器上均有應用。壓，他有很多的系列如KA7805，ADS7805，CW7805等，性能有微小的差異,用的最4-15所示。4-15LM7805引腳圖24低頻相位測量儀硬件電路設計LM7805有三個引腳分別為：GND：接地。電源原理穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成，如圖4-16所示。圖4-16 電源方框及波形圖整流和濾波電路在圖4-16中，整流作用是將溝通電壓U2變換成脈動電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓U3中的大局部紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電U4。整流電路的工作原理：由圖4-17可看出，電路中承受四個二極管，相互接成橋式構造。利用二極管的電U2D1、D3導通，D2、D4截止，在負載RL上得到上正下負的輸出電壓；在負半周內，正好相反，D1、D3截止，D2、D4RL的電流方向與正半周全都。因此，利用變壓器的一個副不變的脈動直流電壓和電流。25低頻相位測量儀硬件電路設計圖4-17 橋式整流電路圖穩壓電路U5。軟件設計T的時間。AT89C51在處理數據〔數字濾波、計算、送數據顯示、鍵盤處理〕期UART074LS164，。系統主程序框圖5-1所示：26低頻相位測量儀硬件電路設計圖5-1 主程序框圖相位測量電路的主程序：ORG 00HLJMP ORG MIAN： MOV 2FH，#01H區

LCALLX3600LCALLMULNMMOV 4AH，5AHMOV 4BH，5BHMOV 4CH，5CHMOV 4DH，5DH

；相位計算數據3600乘以時間差；將上述乘積送入到除法的被乘數緩沖27低頻相位測量儀硬件電路設計MOV4EH，5EHMOV4FH，5FHMOV5FH，DATAL ；裝入被測周期T的數據MOV5EH，DATAHMOV5DH，DATA3LCALIDIDVDIMOV 35H，4FH4FH-4DH中，4FH中的為最低位

；調用除法子程序計算得到相位差值BCD格式的相位差值存放在MOV34H，4EHMOV33H，4DHMOV32H，#0LCALLBCDSTBCD碼MOVR0，#30HMOVR1，#3FHMOVR7，#04HMOV30H，#0MOV31H，#0MOV32H，#0MOV33H，#0MOV34H，#0MOV35H，#0MOV36H，#0LCALLMOVBCD2BCD BCD碼轉化為單字節BCD碼78H，#16MOV79H，30HMOV7AH，31HMOV7BH，32HMOV7CH，33H28低頻相位測量儀硬件電路設計MOV7DH，34HMOV7EH，35HCHCHu：MIAN1：

LCALLDISPJB P1.7，MIAN11LCALLDELAY1JNB P1.7，$CPL2FH.0LCALLDELAY2LCALLDELAY1LCALLDELAY1LCALLDELAY1LJMPMIAN1

；調用顯示子程序；查詢按鍵S1；軟件延時消抖S1釋放2FH.O；連續主程序循環29低頻相位測量儀硬件電路設計完畢語參考文獻[1]田秀豐，何繼愛，李敏.低頻數字式相位測量儀的設計[J].無線通信技術，2023，(2)：55-61.[2]姚遠，王麗婷，郭佳靜.低頻數字式相位測量儀〔C題〕[J].電子世界，2023，(5)：39-41.[3]徐柳娟，鄭文卓，水永煒.低頻數字式相位測試儀[J].電子技術與應用，2023，(11)：56-57.[4]李洋.現代電子設計與創[M].北京：中國電力出版社，2023.119-130..基于AT89C52低頻數字式相位測量儀的設計與實現[J].無錫商業職業技術學院學報，2023，(7)：4-6.張俊謨.單片機中級教程原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2023.13-40.孫笑雨.用單片機實現高精度數字頻率計[J].沈陽電力高等專科學校學報，1999，(1)：9-20.30低頻相位測量儀硬件電路設計盧文科.有用電子測量技術及其電路分析[M].北京：國防工業出版社，2023.82-86.[10]張超,劉開培.CPLD的相位差測量儀[J].電子技術，2023，(5)：13-17.[11]臧春華.電子線路設計與應用[M].北京：高等教育出版社，2023.39-44.李青鵬，路軍，李俊杰.基于單片機和DDS的高精度頻率信號實現[J].電子技術應用，2023，(7)；28-50.黃智偉.全國大學生電子設計競賽訓練教程[M].北京：電子工業出版社，2023.143-152.[14]唐俊翟，許雷，張群瞻.單片機原理與應用[M].北京：冶金工業出版社，2023.225-236.[15]王振紅，錢飛.基于VHDL語言的數字頻率計設計[J].微電子學，2023，(3)：234-245.[16]馬衷梅.單片機應用程序設計[M].北京：北航出版社，1998.陸坤.電子設計技術[M].北京：電子科技大學出版社，2023.沙戰友.編有用數字化測量技術[M].北京：國防工大出版社，2023.HAMMOND JM, LEC RM.Anoncontact piezoelectric torque sensor[J].IEEE InternationalFrequencyControlSymposium,1998.paullCJ.PhaseMeasuringwithIncreasedAccuracy[M].Electron.Eng,1971.JACUBMillman.Integratedelectronics[M].Mcgraw2HillInc,1971.31低頻相位測量儀硬件電路設計附 錄TXDABCLK89 MR

Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 10Q4 Q6 8Q7 8

1615 14