目錄1. 設計任務書。
2. 設計方案概述。
變換測量相位差角的工作原理。
4. 電路的組成及引數選擇。
4.1整形電路及訊號c 的形成。
4.2濾波電路的參任務計畫書。
4.3v/f變換電路的設計。
4.4 89c52內部資源的利用。
5. 應用例項。
6. 結論。
7. 總結。
一、設計任務書
（一）任務
設計**一數字相位計
（二）主要技術指標與要求：
（1）輸入訊號頻率為0hz ～250hz 可調
（2）輸入訊號的幅度為0.5v
（3）採用數碼管顯示結果，相位精確到0.1°
（4）採用外部5v 直流電源供電
（三）對課程設計的成果的要求（包括圖表）
設計電路，安裝除錯或**，分析實驗結果，並寫出設計說明書。要求圖紙布局合理，符合工程要求，所有的器件的選擇要有計算依據。
二、設計方案概述
根椐設計任務書的要求，我們參考了一些相關資料書，經過小組的討論分析，提出了一種用v/f變換測量交流電的相位差的新方法：首先產生出其幅度正比與相位差大小的直流電，再有v/f變換器轉換成反映相位差大小的頻率訊號，在微控制器的配合下，最終得到相位差。這種方法具有解析度高，適應與大範圍的各種輸入頻率等優點。
正弦交流電電訊號相位差的測量可以用多種方法實現。比較直接的數字式測量方法是在已知訊號週期的前提下用定時的方法測得相位差角對應的時間，然後根據已知的週期將其換算成相位差角度。但
是，這種方法的測量精度依賴於定時器的精度和解析度。在訊號頻率較高或頻率雖不高但相位差較小時，都可以出現較大的誤差。另外，由於直接測量得到的是時間，相位差角要由這一中間結果與訊號的週期運算後才能得到，所以週期的測量不可缺少，其測量的精度也將影響相位差的精度。
在此用一種新的思路進行相位差的測量，用v/f變換器把相位差轉換成乙個其頻率與之成正比的脈衝列，通過計算在一定時間內的脈衝個數測量相位差角。這種測量方法與訊號的週期無關，可以得到較高的精度。題達到了0.
1的測量精度，與此同時工業執行控制中現場操作，修改和設定等問題也得到了很好的解決，以上這些都在工業執行中得到了廠方的認可。存在的問題主要是本儀器通用性很不強，很難在更大的範圍應用和推廣，只能運用與某些特定的企業。今後的工作主要硬體和軟體的改進上，列入增加一些通用行很強的功能模組。
變換測量相位差角的工作原理
首先將輸入的兩個同頻率但存在著相位差的訊號進行整形， 使之變成方波 。如圖 1示a 和b 再對a,b 進行異或處理, 異或輸出訊號c 的脈衝寬度則反映相位差角.c 的脈寬 t1對應的電角度是相位差角,c 的週期t2 是訊號週期t 的1/2.
如果訊號角頻率為w 則
t1=/w. c 為幅值為u 的方波其平均值
ud=ut1/t2=u 由此可見,c 的平均值( 亦即直流分量僅與相位差角和脈衝幅度有關與訊號週期無關
通過乙個rc 低通濾波器將c 中的交流成分濾除在濾波器的輸出端就可得到單純的直流成分如果保持c 的脈衝幅度u 不變那麼就能夠很好地反映出相位差角的大小. 為了進行數位化處理將在濾波器輸出端得到的作為v/f 變換器的電壓輸入 。它的輸
這樣在一定時間裡通過對的脈出將是一列脈衝 ，其頻率正比於
衝個數的計數，只需簡單的標度變換，就可以換算出相位差角相位差角測量電路原理圖如圖 2。在得到v/f變換輸出訊號後利用微控制器進行定時， 計數運算 ，顯示等處理非常方便 ，不僅可以大大地簡化硬體電路，也有利於增加功能和提高精度。 本電路採用89c52微控制器 ，充分發揮其定時，計數，中斷並行輸出等資源的效用 ，組成乙個功能強， 結構緊湊， **低廉的相位測量專用裝置由於微控制器的靈活性， 該電路的硬體稍加改造 ，就可以增加頻率測試功能。
對於訊號a 與b 之間的超前/滯後關係的判斷，可以遵循以下原則由圖1可以看出，如果方波a 上跳後,c 出現高電平, 則說明a 超前於b. 否則如果a 上跳後c 出現低電平，則是a 滯後於b; 可以通過乙個鎖存器來記錄a 上跳後c 的狀態。訊號a 經微分電路後接鎖存器的控制端(上跳沿鎖入 ，當訊號a 出現上跳時，微分電路輸出乙個正脈衝，c 的狀態被從d 端傳向q 端儲存!
而後無論a 保持高, 低電平還是從高電平跳變到低電平, 微分電路均不輸出正脈衝! 鎖存器處於保持狀態。直到下一次a 的上跳鎖存器的內容才得以重新整理。
輸出端q 的
狀態隨時可以被讀取,q=1說明訊號a 超前於訊號b ；q=0訊號a 滯後於訊號b 。
4. 電路的組成及引數選擇。
4.1 整形電路及訊號c 的形成
兩路被測輸入訊號分別經耦合電容與兩路整形電路連。整形電路由電壓比較器構成, 在此採用lm311. 。該比較器可用+5v單電源供電!
可以簡化電路結構! 同時它的輸出也更容易與後面的邏輯電路連線, 另外lm311的轉換速度很快，能夠保證對訊號整形的質量%值得注意的是，輸入的兩路訊號可能有公共端，但也可能不允許有公共端! 而兩路整形電路共地。
所以每一路的兩個端子都必須接耦合電容，以免在輸入訊號在沒有公共端時經整形電路形成短路。另外，在整形電路的輸入端還應設定限幅電路以保護電壓比較器。
2個lm311的輸出即為兩路方波訊號a 和b. 由於採用+5v單電源供電, 這些訊號可以直接與邏輯異或門連線, 得c 訊號。
電路圖4.2濾波器電路的引數選擇
濾波電路採用阻容濾波, 其輸入端直接與異或門的輸出(即c 訊號連線. 濾波器的輸出又接v/f變換器的輸入端, 該埠輸入阻抗很大, 可視為開路. 異或門採用74hc 系列, 當其輸出高電平時, 輸出級的乙個接正電源的mos 管導通, 電源經濾波電路電阻r 向c 充電, 如果忽略異或
門的輸出阻抗, 其時間常數為t=rc.異或門輸出低電平時, 經c 和異或門輸出級的接地的mos 管放電,com 管的等效電阻很小可以忽略, 時間常數t=rc.時間常數越大, 濾波效果越好, 但時間常數過大會影響電路的響應速度.
如果r=10k則,c=100uf,則t=1s.即使對於10hz 的輸入訊號6t 是異或門輸出脈衝週期的20倍, 電容兩端電壓的波動已經很小了.
4.3 v/f變換電路的設計
v/f變換電路採用v/f變換晶元lm311. 採用該晶元的單+5v電源供電的典型應用電路。採用這種做法，輸入電壓與輸出頻率成正比關係。
輸入電壓從0到10v ，輸入頻率從0到10khz. 本電路的輸入電壓是濾波電路的輸出，其變化範圍是0到5khz. 不難看出，相位差每變化1度，頻率變化27.
78hz, 或者說，頻率輸出的每乙個脈衝對應0.036度的相位差。0.
036度即為本測量電路的分頻率。
3.489c52內部資源的利用
489c52內部有兩個定時計數器c/t1和c/t0.本電路中c/t1設定為計數模式, 計數器輸入引腳接v/f變換器的頻率輸出ui. 工作在定時模式, 定時時間為1s.
電路工作時, 先將c/t1清零，然後同時啟動c/t1和c/t0在1s 定時終了時, 停止c/t1計數. 這樣,c/t1中累計的數值x 即為v/f 變換器輸出ui 的頻率值, 將x 乘以180再除以5000即可得到相位差角的度數.
儲存超前/滯後狀態的鎖存器的輸出端可接在89c52的p 口的某一位上,cpu 隨時可以讀取其狀態。
測量結果通過led 進行顯示, 相位差角最大可能為180度，而在角度較小時，為保證精度又應顯示小數字。本電路保留兩位小數， 因此，完整地顯示相位差需要6位led, 即整數3位, 小數2位, 表示超前/滯後的符號1位. 每乙個led 與乙個鎖存/驅動電路相連線, 對應乙個獨立的i/o, cpu通過mpvx 指令向其傳送資料。
微分電路模組
5. 應用例項
以圖2所示電路為基礎，增加少量元器件即可組成一台數字式頻率/相位測試儀。具體的做法是兩路同頻率被測訊號經大容量無極性電容耦合到兩個lm311比較器的輸入端, 為能夠測量較低的頻率6應選擇較大容量的電容, 選樣1000uf; 圖2中訊號a 與89c52的定時/計數輸入端c/t1連線, 作為頻率試用。6位led 輪流顯示「頻率」和「相位」的測量結果。
實際使用表明，該儀器在輸入訊號頻率為幾 hz到幾十khz 範圍均能很好地工作，用高階別儀表校正，相位測量誤差不超過0.05度，該精度完全滿足一般電氣測量和高等學校教學實驗的要求。
不同相位的波整形後的輸出電波
相同相位的波整形後的輸出電波
異或後的輸出電波
6. 結論
1. 測量相位差角的方法適合於較大頻率範圍的輸入訊號，只要整形電路能夠輸出較好的方波，濾波電路能夠輸出較平穩的直流電壓，v/f變換的輸出是一串反映相位差的脈衝列。對相位差可能出的整個範圍（0-180度）均能測量，理論上在測試死角。
2. 測量辨率高，且測量解析度與頻率無關。對任何頻率的訊號解析度均可0.036度這為提高測量精度創造了條件。
7. 總結
通過這次實驗我們在設計思想，設計方法和設計技能等方面得到良好的訓練，並且更加熟悉了proteus 的操作與使用，通過多次失敗，最終獲得實驗結果，使大家養成了嚴謹的科學態度，在課程設計的過程中得到技能上的洗禮和經驗上的積累。
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實驗報告 實驗課程名稱近代電子學實驗 實驗專案名稱數字電容測量儀 年級 2011級 專業電子資訊科學與技術 班級學生姓名 學號 實驗設計目的 1 態解碼顯示的設計及應用 2 數字電容測量的方法。實驗設計內容及要求 1 設計 安裝乙個自動數字電容測量儀 2 採用動態解碼顯示 3 測量範圍1pf 100...
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