（电路与系统专业论文）基于MSP430的数字多功能相位测试仪的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要：随着信息技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐步发展 成为- f j 关键的科学技术。而且不断发展成熟的单片机技术，使得单片机在数字 信号处理中得到大量的应用。本文利用m s p 4 3 0 单片机为核心的数据采集和信号 处理电路，设计并实现了基于m s p 4 3 0 的数字多功能相位测试仪，并将其应用于 电力系统相位测量中。本论文是根据电力系统中相位测量的需要，实现两路工频 正弦信号的相位差测量为研究目的，在对国内外多种相位测量系统进行深入分析 的基础上，针对相位测量系统的各个环节进行了研究。根据电力系统中相位测量 的工作流程，将系统模块化，分为信号调理模块、数据采集和处理模块、液晶显 示模块。并对各模块进行设计与调试。另外根据电力系统的特性以及现场工作人 员实际运用的需要，将相位表的功能进行扩展，增加了电流、电压测量功能。本 课题设计中根据低功耗的要求，特别选用m s p 4 3 0 单片机，采用2 节1 5 v 电池作 为供电电源，硬件设计中各电路元件如h t l 6 2 1 、t l c 2 2 5 2 等都是按照低功耗的原 则来选用。 论文第一章介绍了国内外相位测量技术的历史和现状，m s p 4 3 0 单片机系列的 发展简介，并简要介绍了研究本课题的意义。第二章分析比较了几种传统的相位 测量方案，比较各方案的优缺点后，根据电力系统相位测量的特点，选定适合本 课题的研究方案。第三章中分模块介绍了本相位测量仪的硬件电路部分。第四章 介绍了m s p 4 3 0 单片机系统的相关知识，并列出了程序各功能模块的流程图。第 五章根据相位测试仪的实验数据，分析了各类误差。第六章是对论文的总结。 该相位测试仪具有操作简单、自备电源( 电池供电) ，重量轻。体积小、便于 携带等优点；经测试，该产品灵敏度高，抗干扰能力强，测量准确，使用可靠。 图3 7 幅，表7 个，参考文献3 0 篇。 关键词：相位测量；单片机；m s p 4 3 0 ；低功耗；双积分电路 分类号：t m 9 3 5 1 a 。b s t r a c t a b s t r a c t ：a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sg r a d u a l l yd e v e l o p e di n t oak e y s c i e n c et e c h n o l o g y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a t u r et e c h n o l o g ym c u ，al a r g en u m b e r o fa p p l i c a t i o n sa l r e a d yi nb s oi nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g p h a s em e a s u r e m e n ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c ei nt h ep o w e rs y s t e m ，t h i st h e s i su s e sm s p 4 3 0a st h ec o r ed a t aa c q u i s i t i o n a n ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tm a i n l yo nh o wp h a s em e a s u r e m e n tw i l lb ea p p l i e dt o p o w e rs y s t e m t h i si s s u ei sb a s e do l lt h ep h a s em e a s u r e m e n tn e e d e di nt h ep o w e r s y s t e m ，t h ea i mt oa c h i e v et h et w o f r e q u e n c ys i n ew a v em e a s u r e m e n tf o rr e s e a r c h o n t h eb a s eo fl o t so fi n d e p t ha n a l y s i sa td o m e s t i ca n df o r e i g n ，a l ls e g m e n t so fp h a s ei n m e a s u r e m e n ts y s t e mw e r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ew o r kf l o w o ft h ep h a s e m e a s u r e m e n ti np o w e rs y s t e m ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t os i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e s ， d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm o d u l e , l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym o d u l e s i tw i l la l s o d e s i g na n dd e b u gt h ev a r i o u sm o d u l e s a l s oi na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ep o w e rs y s t e m ，i ti n c r e a s e st h ec u r r e n t ，v o l t a g em e a s u r e m e n t si np h a s em e a s u r i n g i n s t r u m e n t i no r d e rt oa c h i e v er e q u i r e m e n t so fl o w p o w e r , t h i ss u b j e c tc h o i c e s m s p 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e ri np a r t i c u l a r , u s i n gt w o1 5vb a t t e r i e sa sap o w e rs u p p l ya n d o t h e rc o m p o n e n t ss u c ha sh t l 6 2 1 ，t l c 2 2 5 2a r ea l s oc h o o s ei na c c o r d a n c ew i t ht h e p r i n c i p l e o fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h et h e s i sh a s6c h a r t t h e1 砒c h a r ti n t r o d u c e st h es t a t u sa n dh i s t o r yo ft h ep h a s e m e a s u r e m e n ti na n do u to fc h i n a t h e2 n dc h a r ti n t r o d u c e s4s c h e m e so ft h ep h a s e m e a s u r e m e n t b yt h ec o m p a r eo ft h e4s c h e m e s ，w ec h o o s eas c h e m e s u i tt ot h et h e s i s 1 1 1 e3 越c h a r ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ep h a s em e a s u r i n gi n s t r u m e n t 1 h e4 m c h a r ti n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e s i g no ft h ep h a s em e a s u r i n gi n s t r u m e n t 1 1 1 e5 mc h a r t i n t r o d u c e st h ee x p e r i m e n ta n da n a l y z e st h ed a t a t h e6 mc h a r tm a k e sac o n c l u s i o no f t h e t h e s i s k e y w o r d s ：p h a s em e a s u r e m e n t ；m c u ；m s p 4 3 0 ；l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ； d o u b l ei n t e g r a lc i r c u i t c i 。a s s n o ：t m 9 3 5 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 岛殇 签字日期：川年b 月j ) 日 导师签名： j b 塞銮通盔堂亟堂位论塞独剑世岂盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：立岛穆签字日期：吕年占月参日 5 7 致谢 本论文的工作是在我的导师陈后金教授的悉心指导下完成的，陈后金教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢二年来 陈后金老师对我的关心和指导。 陈后金教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向陈后金老师表示衷心的谢意。 陈后金教授和公司领导陶伟对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实习单位及撰写论文期间，谷瑞英、蔺祥宇等同事对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 随着电网容量的不断增加，电压等级的不断增高，电流互感器的变比逐步增 大，目前5 0 0 k v 系统c t 变比基本是2 5 0 0 ：1 ，电流额定电流1 a 。因此在线路空 投或合环时，线路潮流往往很小，电流互感器二次侧电流经常在5 0 m a 以下，甚 至不足2 0 m a 。保护投入必须进行向量测试，由于传统的测试仪器灵敏度的，无法 进行向量测试，因而广大现场调试人员长期以来迫切需要一种高灵敏度、抗干扰 的向量测试装置，以便安全、可靠、迅捷地进行向量测试。针对这一情况，本论 文对早期的相位测试装置进行了改进，设计出基于m s p 4 3 0 的数字多功能相位测 试仪。经过严格测试，证明达到了设计指标，无论从可靠性、灵敏度、准确性， 还是使用的方便程度等方面都受到用户的好评。 1 引言 1 1 相位测量技术的历史和现状 相位测量技术的研究由来已久，最早的研究和应用是在数学的矢量分析和物 理学的圆周运动以及振动学方面，随之在电气及电力方面也相应得到重视和发展。 随着电子技术和计算机技术的发展，相位测量技术得到了迅速的发展，目前相位 测量技术已较完善，测量方法及理论也较成熟，相位测量仪器已系列化和商品化， 广泛应用于测量r c 、l c 网络、放大器相频特性以及依靠信号相位传递信息等方 面的电子设备。 现代相位测量技术的发展可分为三个阶段【l 】：第一阶段是在早期采用的诸如李 沙育法、阻抗法、和差法、三电压法等，这些测量方法通常采用比对法和平衡法， 虽然方法简单，但测量精度较低；第二阶段是利用数字专用电路、微处理器等来 构成测试系统，使测量精度得以大大提高；第三阶段是充分利用计算机及智能化 测量技术，从而大大简化设计程序，增强功能，使得相应的产品精度更高、功能 更全。同时，各种新的算法、测量手段和新的设计方法及器件也随之出现。 在相位测量技术方面美国一直处于领先地位，主要的研究机构及公司有n b s 、 h p 、a d y u 公司及d r a n e t z 实验室。俄罗斯在此领域也具有较高的水平。商品 化的通用相位计的水平为低频段达l ah z 数量级，甚高频可达1 0 0 g h z ，相位分辨 率可达0 0 0 1 0 ，相位测量范围为0 - , 3 6 0 0 ，一1 8 0 0 1 8 0 0 ，少数可达7 2 0 0 。在相位 准确度方面。低频为0 0 0 2 0 ，高频为4 - 0 2 0 ，微波为0 5 0 。 随着电子技术的迅速发展，国外从6 0 年代后期开始设计和制造基于过零交叉 检测原理的低频相位计，并开始用于工频相位的测量在国内6 0 和7 0 年代是相位 测量研究的黄金时代，有众多的研究所、工厂及其它行业部门均进行了相位测量 技术的研究并取得了一定的成果，如国家计量科学院、国防科工委、电子部十、 十四、十七研究所、天津无线电一厂、南京电讯仪器厂等单位，初步奠定了我国 相位测量的基础，研制了一批专用通用的相位计产品【2 1 。1 9 6 4 年我国第一台相位 测量仪器u s 2 型交流相位差计问世，其极限误差为3 0 。1 9 7 9 年1 2 月国家计量总 局正式批准进行相位量值传递。从8 0 年代开始将微处理器广泛地用于各个技术领 域，多种型号的电子相位计投入市场，取代了以往的相位计。 在7 0 年代中期以后，由于资金、技术、管理市、场等因素的原因，国内相位 测量技术的发展进入了低潮，研究相位测量的单位和技术人员越来越少。目前国 内生产商品化相位计的主要厂家仅有天津中环电子仪器公司，相位计量机构是中 国计量科学研究院和国防科工委。总的来说我国的相位测量技术与国外有较大的 差距，主要体现在产品种类较少，配套产品少；产品测试功能单一；仪器精度、 数字化和自动化程度不高；相位计量标准不完备。 目前国外提出了改进测相位测量精确度的方法包括有： 1 、用专用数字处理芯片，利用正余弦表格及傅立叶变换方法来计算相位差， 可大大提高测量精度。 2 、采用新器件及设计方法提高相位测量精度及展宽工作频率范围。 3 、采用新的算法来进行相位测试。 4 、采用高精度相位测量设备，通过相位输出信号，利用桥路与输入信号相位 进行比较，从而测出相位差。 现代电子测量仪器与智能测量技术、计算机技术紧紧结合在一起，每一次计 算机技术和电子技术的革命都带来电子测量仪器的革命。因此，只有不断的采用 新技术和新方法，才能使相位计的性能和精度得以不断的提高。 数字处理技术的发展日新月异随着集成电路技术和软件技术的不断发展和解 决复杂问题能力的不断提高，单片机技术的出现使得相位差测量系统结构清晰， 流程简洁，功能越来越强大。本论文就是基于m s p 4 3 0 的数字多功能相位测试仪 的设计与实现，下面将简单介绍m s p 4 3 0 系列单片机。 1 2m s p 4 3 0 系列单片机发展简介 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t i ) 1 9 9 6 年开始推向市场的一种1 6 位超 低功耗的混合信号处理器( m i x e ds i g n a lp r o c e s s o r ) 。称之为混合信号处理器，主要 是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个 芯片上，以提供“单片 解决方案【2 】。 m s p 4 3 0 系列是一个1 6 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机， 在1 9 9 6 年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段， 已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。回忆m s p 4 3 0 系列单片机的发展过程， 可以看出有这样三个阶段：( 1 ) 开始阶段。从1 9 9 6 年推出m s p 4 3 0 系列开始到2 0 0 0 年初，这个阶段首先推出有3 3 x 、3 2 x 、3 1 x 等几个系列，而后于2 0 0 0 年初又推 出了l l x 、l l x l 系列。m s p 4 3 0 的3 3 x 、3 2 x 、3 1 x 等系列具有l c d 驱动模块， 对提高系统的集成度较有利。每一系列有r o m 型( c ) 、o t p 型( p ) 、和e p r o m 型( e ) 等芯片。e p r o m 型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开 发。这也表明了这几个系列的开发模式，即：用户可以用e p r o m 型开发样机； 2 用o t p 型进行小批量生产；而r o m 型适应大批量生产的产品。2 0 0 0 年推出了 l l x l l x l 系列。这个系列采用2 0 脚封装，内存容量、片上功能和i o 引脚数比较 少，但是价格比较低廉。这个时期的m s p 4 3 0 已经显露出了它的特低功耗等的一 系列技术特点，但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性，如：片内串行通信 接口、硬件乘法器、足够的i o 引脚等，只有3 3 x 系列才具备。3 3 x 系列价格较 高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，3 3 x 并 不一定是最适合的。而片内高精度a d 转换器又只有3 2 x 系列才有。寻找突破， 引入f l a s h 技术，随着f l a s h 技术的迅速发展，t i 公司也将这一技术引入m s p 4 3 0 系列中。在2 0 0 0 年7 月推出f 1 3 x f 1 4 x 系列，在2 0 0 1 年7 月到2 0 0 2 年又相继推 出f 4 1 x 、f 4 3 x 、f 4 4 x 这些全部是f l a s h 型单片机。f 4 1 x 单片机是目前应用比较 广的单片机，它有4 8 个i o 口，9 6 段l c d 驱动。f 4 3 x 、f 4 4 x 系列是在1 3 x 、1 4 x 的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动l c d 的段数由3 x x 系列的最多1 2 0 段增 加到1 6 0 段。并且相应地调整了显示存储器在存储区内地址，为以后的发展拓展 了空间。m s p 4 3 0 系列由于具有f l a s h 存储器，在系统设计、开发调试及实际应用 上都表现出较明显的优点。这是t i 公司推出具有f l a s h 型存储器及j t a g 边界扫 描技术的廉价开发工具m s p f e t 4 3 0 x 1 1 0 ，将国际上先进的j t a g 技术和f l a s h 在 线编程技术引入m s p 4 3 0 。这种以f l a s h 技术与f e t 开发工具组合的开发方式，具 有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。另外， 2 0 0 1 年t i 公司又公布了b 0 0 t s t r a p 技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根 线就可更改并运行内部的程序。这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。 b o o t s t r a p 具有很高的保密性，口令可达到3 2 个字节的长度。蓬勃发展阶段， 在前一阶段，引进新技术和内部进行调整之后，为m s p 4 3 0 的功能扩展打下了良 好的基础。于是t i 公司在2 0 0 2 年底和2 0 0 3 年期间又陆续推出了f 1 5 x 和f 1 6 x 系列的产品。在这一新的系列中，有了两个方面的发展。一是从存储器方面来说， 将r a m 容量大大增加，如f 1 6 1 1 的r a m 容量增加到了1 0 k b 。这样一来，希望 将实时操作系统( r 1 旧s ) 引入m s p 4 3 0 的，就不会因r a m 不够而发愁了。二是 从外围模块来说，增加了i2c 、d m a 、d a c l 2 和s v s 等模块。在2 0 0 3 年中，t i 公司还推出了专门用于电量计量的m s p 4 3 0 f e 4 2 x 和用于水表、气表、热表上的具 有无磁传感模块的m s p 4 3 0 f w 4 2 x 单片机。 1 3 相位测量的应用 相位的测量通常是指两个同频率信号之间相位差的测量，相位计是一种应用 非常广泛的电子测量仪器【2 1 ，随着科学技术的发展相位测量技术的应用已深入到许 3 多领域和部门，如电力部门机械部门航空航天地质勘探海底资源等正确使用相位 测量技术可以解决电气电子及其它非电量测量的许多问题，例如： 1 、测量网络的传输特性只要测出幅频特性及相频特性，就可了解网络的全 部传输特性。 2 、测量谐振频率根据谐振时其相位为零特性即可求出其谐振频率。 3 、测量时延特性通过测量被测网络的相位，可得到被测网络的相时延频率 特性及群时延频率特性。 4 、测量和校正伺服系统伺服系统是自动控制的重要组成部分，因其电动机、 解调器等都设计成响应于同相信号，故它需要经常测量信号的相位。 5 、测量距离和方向在相位导航系统中，接收机同时接受两个基本点发射机 传来的信号，每个信号的相位与发射机与接收机的距离成正比，故求得相位差即 可确定飞机及船舰所处的位置。 6 、测量厚度及金属探伤 7 、电压、电流间相位差及功率因数的测量等 由此可见，相位计和相位测量技术广泛用于农业生产、医疗、勘探、电力、 航空航天、地震预报、石油冶金等多种行业。 1 4 本课题研究的意义 众所周知，相位是交变信号的三要素之一，相位一致，是保证电能质量的条 件之一。一般发电机与系统并列需要三个条件：电压一致、相位一致和频率一致。 如果发电机有一个条件不满足，导致非同期并列，会对发电机造成巨大冲击，严 重时导致发电机定子变形，从而会损坏发电机。同时也会对电网造成冲击。 而相位差则是研究两个相同频率交流信号之间关系的重要参数。相位差的测 量是电气测量的一项基本内容，其含义为测量两个同频率周期信号的相位差值。 例如某一电路系统输入信号与输出信号之间的相位差，三相交流电两个相电 压或者两个线电压之间的相位差，相电压与相电流之间的相位差等等。 又如，在自动控制理论中，系统的相频特性为在不同频率正弦信号作用下， 系统的输出信号与输入信号之间的相位和频率的函数关系。 此外，同频率正弦信号的相位差测量在工业自动化，智能控制及通信电子等 许多领域都有着广泛的应用。如电工领域中的电机功角测试，介质材料损耗角的 确定等等。 因此相位差的测量是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。 在电力系统中，相位的测量具有很多重要的作用。 4 l 、通过测得电流与电压之间的相位矽，从而利用求出功率因数c o s t a ，进而求 出有用功率，实现对电能的计费功能。 2 、在电力系统中，常常需要对电压及电流之间的相位差进行测量，有时还需 要测量三相电压或三相电流之间的相位。例如，各发电厂和变电站的主设备变压 器，就需要测量工作电压与套管的漏电流之间的相位关系。 3 、在电力系统中，电子互感器的性能测定中，均对测量的相位进行了精度要 求。必须利用相位测量装置实现电子互感器的测定。 4 、在电力系统中，当电网并网合闸时，需要两电网的电信号之间的相位相同， 这时需要精确测量两列工频信号的相位差。 目前，国内相位计生产厂家或研究单位明显存在技术老化问题，其采用的器 件、方法和技术比技术先进国家有较大的差距。而最近发展的先进性计算机技术、 电子技术等却由于资金、技术、管理方面的原因未能应用于相位测量技术，因此 国内相位计的水平和国外水平有着相当大的差距。 同时，随着国防和科教等发展，迫切需要高精度高性能的相位测量装置。在 电力系统中，对电子式互感器的性能有要求，除了要求可以测量出电压、电流值， 对相位也有一定的要求，以电子互感器标准等级0 2 级为例，在电流为5 a 时，要 求测量的精度为9 0 。在电力系统中，由于频率的变化范围允许在4 9 5 0 5 0 5 0 之 间波动，因此，并非所有的测量的相位的仪器都适合于测量电力系统中的相位， 国产的工频相位测量仪器很难达到对电子式互感器的测量要求。 2 方案论证 2 1 相位的基本概念 在数学上，把正弦函数或余弦函数的幅角定义为相位3 1 。例如在正弦交流电压 公式中 u = s i n ( c o t + 缈)( 2 1 ) 正弦函数总的幅角为相位 =got+伊(2-2) 从上式可以看出，相位是时间的线性函数，测量绝对的相位值是无意义的。 下面我们来分析一下两个正弦电压的相位及相位差，设角频率为筋和0 9 ，的两个正 弦交流电压为 u i = u i 。s i n ( c o l t + 伊1 )( 2 - 3 ) u 2 = u 2 。s i n ( c 0 2 t + 仍) ( 2 - 4 ) 两者的相位差等于 1 一2 = ( 仍一仍) + ( c 0 1 一国2 弦 ( 2 5 ) 可以看出，相位差是时间的线性函数，要使两个正弦电压的相位为一个固定 值，那么两个正弦电压必须是同频率。通常，具有实际意义的相位测量也是指两 个同频率的相位差的测量。 2 2 相位计种类 相位计按工作频率来分有四种类型【l 】【3 】 l 、工频相位计工作频率为5 0 h z ( 或6 0 h z ) 、4 0 0 h z 。它适用于电力系统。 2 、超低频相位计其频率工作范围为11 1h z - 一1 k h z ，它适用于电力系统，称 为点频式相位计。 3 、低频相位计频率范围为1 0 h z 1 m h z 。 4 、射频相位计频率范围在1 m h z 以上。 根据测量信号对相位不同要求可分为静态和动态两种，前者相位基本恒定， 后者相位有一定的变化，可用于电力系统同步电机的功率角的测量和自动测绘装 置的相位特性的测量。 此外，根据被测信号的不同，如参考信号为正弦波，其通过被测系统后变成 断续的正弦波，则测量方法与上述几种方法有所不同。 6 2 3 相位测量的技术指标 相位测量的技术指标由以下部分组成。 1 、频率范围相位测量能够保证测量精确度的频率范围。 2 、相位量程相位测量无模糊测相的范围。 3 、电平范围相位测量在规定的幅度一相位误差范围内所容许的最大信号电 平范围。 4 、相位分辨率( 相位灵敏度) 相位测量能够分辨的最小相位单位。它通常 为显示最低一位数字代表的相位值。 5 、相位极性相位测量结果的极性是以参考信号的相位作为参考来定义的。 6 、相位模糊范围当被测相位值较小时会发生相位测量结构不稳定或误差明 显增大的情况，将此段区域称为相位模糊范围或相位不连续。 7 、相位准确度相位测量的实际值与理论值的偏离程度。 8 、相位一频率特性相位测量准确度或误差随信号频率变化的特性。 9 、幅一相误差包括两路信号电平作同方向变化通道引入的相位差和两路信 号幅值不等引起的相位误差。 2 4 相位测量原理及方案比较 图2 - 1 被测信号“l ( f ) 和“2 ( f ) f i g 2 1m e a s u f e ds i 弘a lu l ( t ) 锄d 铭2 ( f ) 如图2 - 1 所示，”，( f ) 为被测信号，u 2 ( f ) 为延时后的被测信号，_ g f 烬u 。( t ) f t g l u 2 ( f ) 的频率相同。由上图可以看出，互为延时的时间，r 为被测信号的周期，那么测得 7 互和r 的比值，由伊= 3 6 0 。互t 就可以计算得到甜。( f ) 、“2 ( f ) 相位差妒。 2 4 1示波器法测量相位差 l 、双踪( 双线) 示波法【卅 利用示波器的双踪显示功能，是测量相位差的最直观、最简便的方法，而且 对所有频率信号均能进行，尤其适用于测量电路内部的固有相移。 测量方法是：利用双踪( 双线) 示波器，将两个信号“( f ) 和( f ) 分别接到示 波器c h l 和c h 2 通道上；示波器置双路显示方式，同步触发信号选择两个被测信 号之一，最好选其中幅度较大的那一个；将示波器的扫描速度微调旋钮置“校准 图2 - 2 示波法测量相位差 f i g ，2 - 2o s c i l l o g r a p h i cp h a s em e a s u r e m e n t 位置，调节有关旋钮，使荧光屏上显示两条大小适中的稳定波形，如图2 2 所示，先利用荧光屏上的坐标测出信号的一个周期在水平方向所占的长度d r ( 注 意：正弦波变化一个周期，相当于3 5 0 0 ) ，然后再测出两波形上对应点( 如过零点， 峰值点等) 时间的水平距离d ，则相位差伊为 n a r p = 3 6 0 0 ( 2 6 ) u t 相位差符号的确定，相位差符号是由两信号的相对位置而定的，从图2 2 可以 看到”2 ( f ) 滞后于“。( f ) ，贝ua q , = 仍一仍为负；而缈= 仍一仍为正，说明“，( f ) 超前 “2 ( f ) 。 由于相位每个周期重复3 6 0 0 ，因而可用多种方法描述同一相位关系。例如， 如果“。( f ) 超前“：( f ) 9 0 。，也可以说“。( t ) 滞后“，( f ) 2 7 0 。，这些表示方法都是正确的， 但一般将相位差定在1 8 0 。范围以内，因此( f ) 超前“：( f ) 9 0 。比较合适。 2 、l i s s a j o u s 图形法( 椭圆法) 4 】 在低频相位测量中常采用l i s s a j o u s 图形法，虽然比双踪示波法复杂，但测量 相位差较为精确。 测量方法是：把要比较相位差的两个正弦信号分别接到示波器的】，通道和x 通道，使示波器工作在x 一】，显示方式。这时示波器的荧光屏上会显示如图2 3 所 示的l i s s a j o u s 图形( 椭圆) 。若u l ( ，) 、u 2 ( f ) 分别从x 通道和y 通道接入，则 ( f ) = 虬o ) = s i n t o t ( 2 7 ) u 2 ( f ) = u y ( f ) = s i n ( c o t + 缈)( 2 8 ) 从图2 - 3 可以看出，f = o 时，o = s i n 伊( u y o = y o s ，= s ) 则 s i i l 缈= 等：塑( 2 - 9 ) ，m o y y m 所以两信号的相位差 伊= 伊一0 = 伊= a r c s i n y o ( 2 1 0 ) y m 同理，由图2 3 也可以证明 ，( f ) d ) 7 ， 。 图2 - 3l i s s a j o u s 图形法测量相位差 f i g 2 3l i s s a j o u sg r a p h i cp h a s em e a s u r e m e n t a f o = g o 一0 = f o = a r c s i n 立 ( 2 1 1 ) 9 式中，嘞和y 。为椭圆与x 轴、】，轴相截的距离的一半；k 和y 。为荧光屏上光 点在x 方向和y 方向的最大偏转距离的一半。s ，为示波器的垂直偏转灵敏度。 图2 4 所示为不同相位差的l i s s a j o u s 图形。从图2 3 可见，如果椭圆长轴在1 、 3 象限内，则所求相位差在0 0 p 9 0 0 或1 8 0 0 妒 2 7 0 0 之间，如果椭圆的长轴 在2 、4 象限内，则所求相位差9 0 0 缈 1 8 0 0 或2 7 0 0 p 3 6 0 0 之间。也就是说 用l i s s a j o u s 图形法测量所得的相位差够值是绝对值，不能确定相位差的符号。例 如，若用式2 1 0 和式2 1 1 算的答案为4 5 0，那么相位差可能是+ 4 5 0 ，也可能是 一4 5 0 。也可以说u 。( t ) 可能是超前也可能是滞后u ，( f ) 4 5 0 ，用双踪示波法可以确定 相位差的符号，而使用l i s s a j o u s 图形法则准确度较高。 0 。( 一1 8 0 。) 4 5 。( 一1 3 5 。) 9 0 0 一1 3 5 0 ( 4 5 0 )1 8 0 0 ( o o ) 图2 _ 4l i s s a j o u s 图形的一些特殊情况 f i g 2 - 4l i s s a j o u sg r a p h i c so fs o m es p e c i a lc i r c u m s t a n c e s 应该注意，用式2 1 0 或式2 1 1 计算相位差时，一定要将椭圆的中心与荧光屏 上坐标的原点重合( 此时椭圆与坐标轴上的上、下和左、右的截距分别相等) ，也 可以用下面的式子来计算相位差 矽：a r c s i n 三堕：a r c s i n 2 x o( 2 1 2 ) 2 y m2 x 。 式中，2 x 0 并n2 y o 为椭圆与x 轴和】，轴的截距；2 x 、2 y 为荧光屏上光点在x 方向和y 方向的最大偏转距离。此外，从式2 1 0 、式2 1 1 和式2 1 2 可以看到、 或y o 、j ，。都是在同一个轴上测量的，因而与示波器的垂直或水平灵敏度没有关 系。 2 4 2补偿法测量相位差 设两路交流正弦电压“l = 。s i n ( c o t + q o 与”2 = 。s i n t o t 分别加到如图2 - 5 所 示的输入端i 和输入端i i 上，用已校准的相移器改变“。的相位直到指示器指示出 相位相等( 或者移相1 8 0 。) 为止。并根据移相的分度曲线决定出所求的相位差。 1 0 7 | 这种方法称为补偿法测量相位，其误差包括已校准相移器分度盘分度的系统误差 和偶然误差。误差一般在0 1 0 左右。 叶已校准的c 卜 输入i 移相器o l l il _ 1 ii 。指示器i 。 ll 一 输入i i 图2 - 5 补偿法测量相位差的框图 f i g 2 - 5c o m p e n s a t o r yp h a s em e a s u r e m e n t 从这种方法的工作原理可知【4 】，要测量相位差，除有一个已校准的移相器以外， 还需要有一个指示器。指示器的类型有很多种。最简单的是利用示波器，把两个 比较的电压分别加到垂直输入端和水平输入端以后，在荧光屏上看见一个椭圆。 当两个电压同相或反相时，椭圆将拉成一条直线。应该注意，在采用示波器指示 时，两个通道引入的相移将产生误差。 2 4 3频率变换法测量相位差 1 、差频变换【川 这种方法就是将两个频率为、相位差为缈的电压信号分别加到两个相同的混 频器上( 如图2 - 6 所示) ，分别与来自同一振荡器频率为z 的信号混频，在输出端 得到差频厂一丘的信号。使测量高频信号的相位差变为测量低频信号的相位差。 图2 - 6 具有频率变换器的相位计功能图 f i g 2 - 6w i t ht h ef r e q u e n c yc o n v e r t e rp h a s eo ff i g u r e 为了避免误差，要这样调节电路：把同一信号源的振荡电压加到两个输入端 上，相位计应指示相位差为零。两个输入端的信号对换，指示应该不变。 2 、扩大频率【4 1 测量小的相角时，用扩大法是合理的。因为，这种方法可以提高测量的精度。 当频率扩大n 倍时，相移也就扩大了, 倍。如果两个电压“l = u l 。s i n ( o 醴+ e t ) 与 u 2 = u 2 。s i n ( c 0 2 t + 仍) ，相位差伊= 仍一仍通过，z 次倍频的倍频器以后，我们得到电 压“：= u , - s i n ( n c o t + ，2 仍) 与u ：= 职。s i n ( n c o t + n 0 2 ) 。其相位差甩妒= 刀仍一，z 仍。 2 4 4数字化测量相位差 目前广泛使用的是直读式数字相位计【4 】，其原理是利用通用计数器的时间间隔 的测量功能来测量相位差，如图2 7 所示，被测的两个同频正弦电压信号u l 、分 别经过过零比较器1 和2 ，使每个信号由负变正过零点时各产生一个脉冲信号，这 两个脉冲信号分别加到r s 触发器的输入端。设u ，领先u ：，贝, l j u ，作开启信号，作 关闭信号，使r s 触发器给出一个脉冲宽度对应于两个被测信号相位差的矩形波， 矩形波的宽度为f ，如图所示。用这个矩形波控制与门的开放，控制标准脉冲通过 的个数，并由计算器记录通过与门的标准脉冲个数，显示器显示相位差的数值。 设标准脉冲的周期为z ，两个被测信号的周期为正，与门开通时间为f ，即两 个被测信号间的时延，并以与门开启l s 作为计时标准，那么l s 内与门开通的总的 时间为 a t = 兵f = ( 2 1 3 ) ， 图2 7 脉冲计算法测量相位差 f i g 2 - 7p u l s ec a l c u l a t e dp h a s em e a s u r e m e n t 而l s 内计数器的计算值为 一筹2 壶 p rz 互 、7 1 2 则两个被测信号间的时延f 为 飞= n t 3 把这两个被测信号间的时延f 转换为相位差够 伊2 乏妈6 0 0 2 咽妈6 0 0 2 5 本章小结 小| 卜上 出卜 龃h 计数脉生uuu u l i； 图2 8 脉冲计算法测量相位差的工作波形 f i g 2 - 8w a v e f o r mo f p u l s ec a l c u l a t e dp h a s em e a s u r e m e n t ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 综合以上测量方法，结合本课题研究目标，采用数字化测量相位差结合 m s p 4 3 0 单片机的方案，如图2 - 9 所示 1 3 图2 - 9 本课题相位测试仪框图 f i g 2 - 9t h ef l o wc h a r to ft h et h e s i s 两路信号先经过过零比较器，将正弦波行转化为占空比为l ：2 的方波，利用 波形的上升( 或下降) 沿来触发m s p 4 3 0 单片机的计时器来计数，将相应测量值 保存至寄存器，然后进行计算，最后送入液晶屏显示。 1 4 3 单片机系统实现方案 3 1 超低功耗系统设计原则 在设计超低功耗系统时，要做到对电源电压、时钟频率以及动态功耗的控制。 这就形成了：电源宜低不宜高、时钟宜慢不宜快、系统( 器件) 宜静不宜动的“三 相宜”原则【5 l 。 其次，结合三相宜原则，对硬件及软件设计时还要注意四个问题： 1 微处理器m c u 的选择 2 i c 器件的选择 3 供电管理的硬件设计 4 系统低功耗的软件管理 以下分别讨论这四个问题。 1 ) 微处理器m c u 的选择 随着超低功耗系统的兴起，一些大的单片机厂商都推出了自己的低功耗产品。 如i n t e l 公司8 0 c 3 1 系列，p h i l i p s 公司的5 1 l p c 系列，m i c r o c h i p 公司的p i c 系列 以及t i 公司的m s p 4 3 0 系列等。虽然它们都采用了具有低功耗特点的c h m o s 工 艺，但新老产品在低功耗性能上仍然有很大差别。 如果单片机本身具有超低功耗特性，首先必须能在低电压和低频率之下工作。 其次，还要看单片机自身的特性。例如是否是面向超低功耗应用而设计的单 片机，具有几种休眠模式，工作电流大小，休眠电流的大小等。 总之，低电源电压和低时钟频率都对单片机的选择有很大的影响，再加上各 种单片本身所具有的低功耗特性，认真选择合适的单片机对降低整个系统的功耗 大为有益。 2 ) 外围器件的选择 作为一个完整的电路系统，若使整个系统的功耗都得以降低，单靠单片机本 身并不能完成，其外围元器件的选择也相当重要。在模拟电路方面，在满足其性 能要求的同时，尽量选用与单片机工作电源相匹配的低电源产品，以及专为低功 耗系统设计的器件。 m a x i m 公司的一些i c 产品，如运放m a x 4 1 3 1 2 1 3 4 、比较器m a x 9 8 7 9 9 1 等，以及p h i l i p s 公司的一些1 2 c 器件，如p c f 8 5 7 4 、p c f 8 5 6 3 ，还有a t m e l 公司 的2 4 w c 系列的i 2 c 器件都是p a 级的产品。现在各大i c 生产厂商几乎都在这类 产品上有所发展。 对于数字电路，一般都选h c m o s 器件。仅从功耗角度考虑，对于7 4 系列芯 片可选用7 4 h c 或7 4 h c t 系列，后者比7 4 l s 系列的每门功耗小上百、上千倍。 对于4 0 0 0 系列芯片也可选用h c 或h c t 系列。 最后就是液晶显示屏，自然也要选那些低电源电压和低功耗产品。 3 ) 电源管理硬件设计 采用单电池电源实现多分支电源网络分路管理，使得系统各功能模块的电源相 对独立供电，在需要停止工作期间可以分别断电，以节省功耗。 在供电控制方式中选择具有可关断的d c d c 模块或者在电源线上设置电子开 关，这样可以利用微机做到对各电源实时关断控制，不工作时立即切断该路电源， 有利于独立供电支路功耗的管理。 在供电控制方式中的电源控制开关要选择那些导通电阻小、静态功耗小、开 关速度快、驱动电流小的器件，首选m o s f e t 。 对于系统中电源