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数字显示式相位差测量仪的设计方法

作者：黄冬梅梁荫

来源：《中国新技术新产品》2009年第04期

摘要：随着数字电子技术的不断发展，由数字逻辑电路组成的控制系统已逐渐成为现代检

测技术中的主流，由于数字测量系统采用数码管显示相位差、精确度高、稳定性能好、读数方

便且不需要经常调试，所以数字式测量仪逐渐代替了原来的模拟式仪器，被广泛应用各种实时

控制系统之中。

关键词：相位差；检测；误差；单片机

数字显示式相位差测量仪是利用MAX7219外界微处理器实现数码显示。当两列同频率信

号经过整形电路比较电路后，输出两列方波，然后通过微处理器对其进行处理，计算出两列信

号的相位差，再向显示控制器下达显示指令，产生使LED显示器显示数码的电平，达到利用

数码管显示相位差的效果。这里，采用单片机的计数功能对输入脉冲进行计数，使计数器仅在

两信号的相位差期间计数。其功能：先将计数器进行清零，接下来检测输入脉冲的上升沿，若

上升沿到，则计数器开始工作，当下一个信号的上升沿到来时，计数器便停止计数，将计数器

的结果送入锁存器进行锁存，再对计数器进行清零，这样，可以使计数器在下一次能正常工

作。该电路必须加计数锁存器，否则显示器上的数字会随计数器的状态变化而变化，所以要想

稳定地显示测量结果，计数器的计数结果必须经锁存器锁存。下图为其原理框图：

相位差测量的1概念、方法和误差：

．11相位差的概念：

振幅、频率和相位是描述正弦交流电的三要素。以电压为例，设φ=ωt+φ称瞬0,时相位，

它随时间改变，φ0即是t=0时刻的瞬时相位值。两个角频率为ω1、ω2的正弦电压分别写为

，则其瞬时相位差θ=（ω1-ω2）t+(φ-1φ2),显然，两个角频率不相等的正弦电压（或电

流）之间的瞬时相位差是时间t的函数，它随时间改变而改变。当两正弦电压的角频率

ω1=ω2=ω时，则θ=φ-1φ2。由此可知：两个频率相同的正弦量间的相位差是常数，并等于两正

弦量的初相之差。

．21相位差的测量方法：

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相位差测量方法很多，本方法需将两列信号转换成方波，通过微处理器计算得到相位差。

首先利用两列同频率输入信号与零电位相比较，反相输出各自的方波，然后将两列波形进行比

较，形成脉冲通过微处理器，由其定时器检测到第一个脉冲的上升沿后进行定时计数，再进入

等待输入程序，可随时监测下一个脉冲的上升沿。CPU将两个脉冲的上升沿产生的时间差转

化，利用程序设计计算出相位相差的度数，再调用显示子程序，并且通过数据传输向显示驱动

器发出显示对应度数的数码管地址指令，完成显示相位差的全部过程。

．31误差分析：

信号通过前级电路时会产生信号衰减和单片机处理器在计数时也可能产生计数误差，这样

就会导致测量时产生的误差。

单片机处理器的晶振为12MHz，则机器周期为1μS,当输入信号为50Hz,而一个周期为,由

比例关系得：,所以当信号从单片机处理器P1.0、P1.1口输入时，比例关系为,即单片机计数时

产生误差为，满足所设计的要求。

总电路的设计：2

．12电源部分：

+5V电源设计：始端电压经变压器处理后电压为15V,利用LM2576稳压器产生5V的电

压。

正负15V电源设计：由于比较器中运放需工作电压为V，可用变压器原220V交流电压降

为15V交流电压，在此用D1～D4进行单项桥式整流，再经C型滤波电路滤波，消除干扰，

在三端固定式集成稳压器LM7815、LM7915的作用下，得到稳定的正、负电源。

．22小信号放大电路和欠压指示电路：当输入信号低于10mV时，首先经过U2A增加电

路的输入阻抗，减少输出阻抗，然后由反相比例放大器U3A，将信号放大。在U3A中，Uin-

输入电压,Uout-输出电压，K为增益，若选K=100,令R6=1KΩ，则R8=100KΩ,保证输出电压

达到饱和状态。该放大器的输出电压经二极管、T型滤波电路的滤波，得正向电压加在U4A

的反相端，若电压高于同相端的电压时，其输出端将出现高电平，发光二极管中便有电流流

过，发光