1.设计任务书。
2.设计方案概述。
3.V/f变换测量相位差角的工作原理。
4.电路的组成及参数选择。
4.1整形电路及信号C的形成。
4.2滤波电路的参任务计划书。
4.3V/f变换电路的设计。
4.4 C52内部资源的利用。
5.应用实例。
6.结论。
7.总结。
一、设计任务书
（一）任务
设计仿真一数字相位计
（二）主要技术指标与要求：
（1）输入信号频率为0HZ～250HZ可调
（2）输入信号的幅度为0.5V
（3）采用数码管显示结果，相位精确到0.1°
（4）采用外部5V直流电源供电
（三）对课程设计的成果的要求（包括图表）
设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书。要求图纸布局合理，符合工程要求，所有的器件的选择要有计算依据。
二、设计方案概述
根椐设计任务书的要求，我们参考了一些相关资料书，经过小组的讨论分析，提出了一种用v/f变换测量交流电的相位差的新方法：首先产生出其幅度正比与相位差大小的直流电，再有v/f变换器转换成反映相位差大小的频率信号，在单片机的配合下，最终得到相位差。这种方法具有分辨率高，适应与大范围的各种输入频率等优点。
正弦交流电电信号相位差的测量可以用多种方法实现。比较直接的数字式测量方法是在已知信号周期的前提下用定时的方法测得相位差角对应的时间，然后根据已知的周期将其换算成相位差角度。但是，这种方法的测量精度依赖于定时器的精度和分辨率。在信号频率较高或频率虽不高但相位差较小时，都可以出现较大的误差。另外，由于直接测量得到的是时间，相位差角要由这一中间结果与信号的周期运算后才能得到，所以周期的测量不可缺少，其测量的精度也将影响相位差的精度。
在此用一种新的思路进行相位差的测量，用v/f变换器把相位差转换成一个其频率与之成正比的脉冲列，通过计算在一定时间内的脉冲个数测量相位差角。这种测量方法与信号的周期无关，可以得到较高的精度。题达到了0.1的测量精度，与此同时工业运行控制中现场操作，修改和设置等问题也得到了很好的解决，以上这些都在工业运行中得到了厂方的认可。存在的问题主要是本仪器通用性很不强，很难在更大的范围应用和推广，只能运用与某些特定的企业。今后的工作主要 硬件和软件的改进上，列入增加一些通用行很强的功能模块。
3.V/f变换测量相位差角的工作原理
首先将输入的两个同频率但存在着相位差的信号进行整形， 使之变成方波 。如图 1示A和B 再对A,B进行异或处理, 异或输出信号C 的脉冲宽度则反映相位差角.C 的脉宽 T1对应的电角度是相位差角,C 的周期T2 是信号周期T 的1/2.如果信号角频率为w 则T1= /w. C为幅值为U 的方波 其平均值Ud=UT1/T2=U 由此可见,C 的平均值( 亦即直流分量 )仅与相位差角和脉冲幅度有关 与信号周期无关
通过一个RC 低通滤波器将C 中的交流成分滤除 在滤波器的输出端就可得到单纯的直流成分如果保持C的脉冲幅度U 不变 那么 就能够很好地反映出相位差角 的大小.为了进行数字化处理 将在滤波器输出端得到的 作为V/f 变换器的电压输入 。它的输出 将是一列脉冲 ，其频率正比于这样在一定时间里通过对的脉冲个数的计数，只需简单的标度变换，就可以换算出相位差角 相位差角测量电路原理图如图 2。在得到V/f变换输出信号后 利用单片机进行定时， 计数运算 ，显示等处理非常方便 ，不仅可以大大地简化硬件电路，也有利于增加功能和提高精度。 本电路采用C52单片机 ，充分发挥其定时，计数，中断并行输出等资源的效用 ，组成一个功能强， 结构紧凑， 价格低廉的相位测量专用装置 由于单片机的灵活性， 该电路的硬件稍加改造 ，就可以增加频率测试功能。
对于信号A与B之间的超前/滞后关系的判断，可以遵循以下原则由图1可以看出，如果方波A上跳后,C出现高电平,则说明A超前于B.否则如果A上跳后C出现低电平，则是A滞后于B;可以通过一个锁存器来记录A上跳后C的状态。信号A经微分电路后接锁存器的控制端(上跳沿锁入)，当信号A出现上跳时，微分电路输出一个正脉冲，C的状态被从D端传向Q端保存! 而后无论A保持高,低电平还是从高电平跳变到低电平,微分电路均不输出正脉冲!锁存器处于保持状态。直到下一次A的上跳锁存器的内容才得以刷新。 输出端Q的
状态随时可以被读取,Q=1说明信号A超前于信号B；Q=0信号A滞后于信号B。
4.电路的组成及参数选择。
4.1 整形电路及信号C的形成
两路被测输入信号分别经耦合电容与两路整形电路连。整形电路由电压比较器构成,在此采用LM311.。该比较器可用+5V单电源供电!可以简化电路结构!同时它的输出也更容易与后面的逻辑电路连接,另外LM311的转换速度很快，能够保证对信号整形的质量%值得注意的是，输入的两路信号可能有公共端，但也可能不允许有公共端!而两路整形电路共地。所以每一路的两个端子都必须接耦合电容，以免在输入信号在没有公共端时经整形电路形成短路。另外，在整形电路的输入端还应设置限幅电路以保护电压比较器。
2个LM311的输出即为两路方波信号A和B.由于采用+5V单电源供电,这些信号可以直接与逻辑异或门连接,得C信号。
电路图
4.2滤波器电路的参数选择
滤波电路采用阻容滤波,其输入端直接与异或门的输出(即C信号)连接.滤波器的输出又接V/f变换器的输入端,该端口输入阻抗很大,可视为开路. 异或门采用74HC系列,当其输出高电平时,输出级的一个接正电源的MOS管导通,电源经滤波电路电阻R向C充电,如果忽略异或门的输出阻抗,其时间常数为t=RC.异或门输出低电平时,经C和异或门输出级的接地的MOS管放电,COM管的等效电阻很小可以忽略,时间常数t=RC.时间常数越大,滤波效果越好,但时间常数过大会影响电
路的响应速度.如果R=10k则,C=100uF,则t=1s.即使对于10Hz 的输入信号6t是异或门输出脉冲周期的20倍,电容两端电压的波动已经很小了.
4.3 V/f变换电路的设计
V/f变换电路采用V/f变换芯片LM311.采用该芯片的单+5V电源供电的典型应用电路。采用这种做法，输入电压与输出频率成正比关系。输入电压从0到10V，输入频率从0到10kHz.本电路的输入电压是滤波电路的输出，其变化范围是0到5kHz.不难看出，相位差每变化1度，频率变化27.78Hz,或者说，频率输出的每一个脉冲对应0.036度的相位差。0.036度即为本测量电路的分频率。
3.4C52内部资源的利用
4C52内部有两个定时计数器C/T1和C/T0.本电路中C/T1设定为计数模式,计数器输入引脚接V/f变换器的频率输出Ui.工作在定时模式,定时时间为1s.电路工作时,先将C/T1清零，然后同时启动C/T1和C/T0在1s定时终了时,停止C/T1计数.这样,C/T1中累计的数值X即为V/f 变换器输出Ui的频率值,将X乘以180再除以5000即可得到相位差角的度数.
储存超前/滞后状态的锁存器的输出端可接在C52的P口的某一位上,CPU随时可以读取其状态。
测量结果通过LED进行显示,相位差角最大可能为180度，而在角度较小时，为保证精度又应显示小数位。本电路保留两位小数， 因此，完整地显示相位差需要6位LED,即整数3位,小数2位,表示超前/滞后的符号1位.每一个LED与一个锁存/驱动电路相连接,对应一个的I/O, CPU通过MPVX指令向其传送数据。
微分电路模块
5.应用实例
以图2所示电路为基础，增加少量元器件即可组成一台数字式频率/相位测试仪。具体的做法是两路同频率被测信号经大容量无极性电容耦合到两个LM311比较器的输入端,为能够测量较低的频率6应选择较大容量的电容,选样1000uF;图2中信号A与C52的定时/计数输入端C/T1连接,作为频率试用。6位LED轮流显示“频率”和“相位”的测量结果。实际使用表明，该仪器在输入信号频率为几 Hz到几十kHz 范围均能很好地工作，用高级别仪表校正，相位测量误差不超过0.05度，该精度完全满足一般电气测量和高等学校教学实验的要求。
不同相位的波整形后的输出电波
相同相位的波整形后的输出电波
异或后的输出电波
6.结论
1.测量相位差角的方法适合于较大频率范围的输入信号，只要整形电路能够输出较好的方波，滤波电路能够输出较平稳的直流电压，V/f变换的输出是一串反映相位差的脉冲列。对相位差可能出的整个范围（0-180度）均能测量，理论上在测试死角。
2.测量辨率高，且测量分辨率与频率无关。对任何频率的信号分辨率均可0.036度这为提高测量精度创造了条件。
7.总结
通过这次实验我们在设计思想，设计方法和设计技能等方面得到良好的训练，并且更加熟悉了proteus的操作与使用，通过多次失败，最终获得实验结果，使大家养成了严谨的科学态度，在课程设计的过程中得到技能上的洗礼和经验上的积累。
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