数字测量系统的设计与实现.doc

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1、 摘 要随着数字电子技术的发展，由数字逻辑电路组成的控制系统逐渐成为现代检测技术中的主流，数字测量系统也在工业中越来越受到人们的重视。在实际工作中，常常需要测量两列频率相同的信号之间的相位差，来解决实践中出现的种种问题。例如，电力系统中电网合闸时，要求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之间的相位差。如果两列信号之间的相位差达不到相同，会出现很大的电网冲激电流，对供电系统产生巨大的破坏力，所以必须精确地测量出两列信号之间的相位差。相位差测量在现代化建设中一直扮演着重要的角色，而且越来越重要。现在，如何提高相位测量的准确度、精度成为新的课题，和追逐的焦点。伴随着数字时代的到

2、来，也给测量技术带来了新的机遇，各种传统的测量方法逐渐被数字仪器取代，对于相位差测量，数字化也是必然趋势。数字式仪器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替代了原来的模拟式仪器。关键词 ： 单片机； 相位差； LEDAbstractWith the development of the digital electronic technology, the control system composed of digital logical circuits gradually becomes the mainstream in the mod

3、ern detection technology,the digital measuring system is also paid to more and more attention by people in industries. In the practical work, we often need to survey the phase difference which is between the two signals of the same frequency, for solving all sorts of problems which appear in the pra

4、ctice. For example, in the electrical power system when the electrical network switch , requiring two electrical networks electrical signals phase to be the same, now we need for the accurate measurement of the phase differences between the two frequency signals . If two row signals phase difference

5、s cannot keep the same, which will led to a big impulse current in the electrical network, whats more led to a huge destructive power to the power supply system therefore the phase differences must be accurately measured between the two signals . The phase difference measurement is continuously acti

6、ng the important role in the modernization, even becomes more and more important. Now, how to enhance the accuracy and the precision of the phase difference measurement becomes the new task and the focus which is pursued. With the digital Ages arrival, it brings the measuring technology a new opport

7、unity, all traditional measuring technique are gradually replaced by the digital instruments, regarding the phase difference measurement, the digitization is also the inevitable trend. The digital instrument uses the Light Emitting Diode to demonstrate in phase difference, the precision is high, the

8、 stable performance is good, the reading is convenient and it does not need to be debugged frequently, therefore the digital measuring instrument has replaced the original simulation type instrument gradually. Key words ： single chip computer；phase difference measurement；LED 目 录摘 要I绪 论1第1章 系统硬件设计41.

9、1 方案选择41.2 各单元模块功能及电路设计81.3 各单元模块的联接14第2章 系统软件设计152.1 软件设计原理及设计所用工具152.2 软件设计的总体结构172.3 主要模块的设计流程框图18第3章 系统仿真203.1 Proteus软件仿真203.2 硬件调试23第4章 系统稳定性设计254.1测量分析254.2 理论误差分析254.3 改进措施25第5章 展 望26致 谢27参考文献28附 录29附录1：系统的电路原理图29附录2：PCB图30附录3：频率仿真图31附录4：相位仿真图32附录5：元件清单33附录6：程序代码34 绪 论1. 本设计的意义众所周知相位是交变信号的三要

10、素之一，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。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、智能控制及通讯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。2. 国内相

11、位差测量研究现状概述传统的测量方法很多，有示波器测量法，将相位差转化为时间间隔法，电压测量法，零示法等。通常的测量方法是对两个输入信号进行调理，应用过零检测的方法使其变换成两个方波。然后对这两个方波进行比较得到鉴相脉冲即相位差脉宽再由鉴相脉冲来控制计数器的开停即用高频时钟脉冲去填充两个信号的相位差，从而实现相位差的测量。计数电路计数是以时钟信号的上升沿为触发信号的，所以由这种方法测得 内的时钟脉冲个数N，仅仅反映了内所包含的时钟脉冲上升沿的个数，N x Tclk也就无法准确的反映鉴相脉宽Z。这是由计数方法本身所带来的误差在相位差测量中是无法避免的。当相位差脉宽远远大于用于计数的高频时钟脉冲周期

12、时，这个误差完全可以忽略不计。在实际的测量电路中由于受限于电子元器件物理特性的影响，前端的信号调理电路和过零检测电路势必会带来方波信号相对于输入信号过零点的偏移所以得到的方波信号的相位实际上是原始输入信号的相位和调理电路及过零检测电路导致相位差的综合相位。这些都是相位差测量中不得不考虑的误差。在测量精度要求比较高尤其相位差相对比较小时，我们都必须提高计数标准时钟脉冲的频率，即填充脉冲的频率。这就增加了设计本身的难度也提高了选用元器件的要求。而在传统的测量方法中，当相位差的脉冲宽度小于计数脉冲宽度时，相位差更是无法测量。因此，我们必须设计出一种新的测量方法来实现更高精度相位差的测量。本次设计是以

13、AT89C51单片机为控制核心的频率及相位测试仪。本次设计可完成对信号频率的频率测量和相位差测量。要求测量频率的范围为20Hz到20KHz，相位的范围为0到360。可通过按键实现测频或测相，用LED数码管直接显示读数，显示清晰直观。误差小，稳定性高。3. 相位计的作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。随着科学技术的发展，相位测量技术的应用已深入到许多领域和部门，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，

14、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)电压与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

15、力、航空航天、地震预报、石油冶金等多种行业。4. 相位和相位差的概念 相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。比如正弦交流电流，它的公式是i=Isin2ft。i是交流电流的瞬时值，I是交流电流的最大值，f是交流电的频率，t是时间。随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零。在三角函数中2ft相当于角度，它反映了交流电任何时刻所处的状态，是在增大还是在减小，是正的还是负的等等。因此把2ft叫做相位，或者叫做相。 如果t等于零的时候，i并不等于零，公式应该改成i=Isin(2ft+)。那么2ft+叫做相位，

16、叫做初相位，或者叫做初相。 两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。例如研究加在电路上的交流电压和通过这个电路的交流电流的相位差。如果电路是纯电阻，那么交流电压和电流的相位差等于零。也就是说交流电压等于零的时候，交流电流也等于零，交流电压变到最大值的时候，交流电流也变到最大值。这种情况叫做同相位，或者叫做同相。如果电路含有电感和电容，交流电压和交流电流的相位差一般是不等于零，也就是说一般是不同相的，或者电压超前于电流，或者电流超前于电压。加在晶体管放大器基极上的交流

17、电压和从集电极输出的交流电压，这两者的相位差正好等于180。这种情况叫做反相位，或者叫做反相。第1章 系统硬件设计1.1 方案选择1.1.1 方案比较 （1）方案一 方案一的结构框图如下图1-1所示。 图1-1 方案一方框图（2）方案二方案二的结构框图如下图1-2所示。图1-2 方案二方框图1.1.2 方案论证本设计要完成信号频率的测量和相位差的测量。设计中有两路输入信号，也是被测量信号，它们是两个频率相同的正弦信号，频率范围为20Hz到20KHz，幅度为1到5V（可以扩展到（0.3到5V），但两者幅度不一定相等。 方案一和方案二的比较见表1-1。表1-1方案一和方案二的比较 方案项目方案一方

18、案二芯片部分741741整形部分LM324LM339信号转换部分74HC08FPGA适配板单片机部分AT89C51AT89C51显示部分LEDLED 只有两个同频率的（正弦）信号才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正弦信号为 则相位差，由此可看出，相位差在数值上等于初相位之差，是一个角度。不妨令,式中是相位差对应的时间差，且令为周期信号，则有比例关系:360=:,可以推导得到=360 此式说明，相位差与 一一对应，可以通过测量时间差及周期信号的测量，也就是时间的测量，而时间的测量则要用到电子计数器。信号频率的测量可以采用直接测频率的方法和周期测频率的方法。一般信号频率较高时，采用直接测频率法，

19、而信号频率较低时，采用测周期的方法。用直接测频率的方法获得信号频率即是让定时器/计数器T1对外部事件计数，而让定时器/计数器T0定时1s，只有在这1s内T0启动对外部事件（即信号I）计数，则T0的计数值就是待测信号的频率。用测周期的方法获得信号频率即是对信号I进行2分频后的波形中，高电平的宽度正好对应信号I的周期，我们将此高电平信号作为单片机内部定时器的硬件启动/停止信号，便可测得周期T,由公式,得频率。方案一工作原理：两路待测信号经整形后变成了矩形波信号1和2，1和2是同频率，不同相位的矩形波。（1） 频率的测量 单片机对信号频率的测量可以采用直接测量法和测周期法。一般信号频率较高时采用直接

20、测量法，而信号频率较低时用测周期法。本设计我组采用测直接测量法。由图1-1可知，将输入信号送入单片机再对高电平进行扫描，记录在1s内高电平出现的次数N，则N就是测得的频率。信号 图1-3输入信号图（2） 相位差的测量我组用一个与门将两输入的待测信号比较后叠加，而输出的波形中，正脉冲宽度就是要测量的待测1和待测2相位差所对应的时间差t，跟据公式可得相位值。如图1-4所示。信号1信号2与门输 出图1-4相位比较图方案二工作原理：让FPGA实现数据的采集，即待测信号的频率f、两路输入信号的相位差所对应的时间差t分别转换为二进制数据，供单片机读取使用。单片机从FPGA获取数据并经过CPU计算、转换等有

21、关处理后，得到信号的频率和相位差并送LED数码管显示。待测信号1、待测信号2经整形电路处理后，变为矩形波，不妨令其为A、B，可以认为A、B为两个同频率的有相位差的矩形波。FPGA通过对整形后的信号A、B的处理，要获得二进制数形式表示的信号频率以及相位差对应的时间差。（1）频率的测量。对频率的测量采用测周期的方法，即在信号周期T时间内，对时标信号进行计数。设时标信号的频率为f，时标信号周期为T，对信号A二分频都得信号高平宽度就是信号周期T，此高电平宽度作为闸门的控制信号，控制计数器在T时间内对f进行计数，则有N/F=T，被测信号的频率为:f=1/T=f/N上式中N计数器的计数值，当f一定时，它的

22、大小表示信号频率的大小。（2）相位差对应的时间差T的测量。对相位差的测量跟频率测量的方法类似，不过闸门控制信号为AB的高电平宽度，则有:N/f=T（3）f的确定及其FPGA的二进制数据位数的确定。因为相位差测量的绝对误差，而FPGA在测量T时有一个字的误差，对待测信号频率f=20kHz而言，下式成立：=：50us则有 0.278us即FPGA采集相位差对应时间差T时，至少要能分辨出0.287us的时间间隔比较方案一和方案二可以看出：（1）方案一比方案二更加可靠；（2）使用到的元器件也都是我们所常用到的一些元件，如：74HC138译码器，74HC573锁存器，按键等；（3）从操作和可行性上说方案

23、二路清晰；（4）虽然方案一显复杂一些，但由于本次设计是第一次将单片机运用于实际的电路设计中，且尚未学过EDA，用FPGA设计有一定困难。1.1.3 方案选择综上所述，并且考虑系统的方案可行性和成本等各种因素，本设计采用方案一作为最终的方案。1.2 各单元模块功能及电路设计1.2.1移相整形电路模块图1-5 移相整形电路模块电路图 这一模块，由741和运算放大器LM324组成。 输入正弦波通过741发生移相，使得相位滞后原初始信号，原来的正弦信号和发生移相后的信号分别经过LM324放大整形成矩形波形式，再将整形后的信号引入单片机的计数引脚，原正弦波整形后接至T0，相与后的信号接至T1和INT1。

24、原正弦波通过计算T0在1S内计数信号发生负跳变的次数，得到其频率。T的确定，由单片机产生高频率的时钟信号，对输入信号进行扫描，即与输入信号进行逻辑与运算。 输入信号为低电平时，没有时钟脉冲输出；为高电平时输出时钟信号，对其进行记数，假设为N，就可以计算出脉宽，为 N*T1，即T=N*T1。 将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。以延时的长短来决定两信号间的相位值。这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。 相位的测量则是通过将原正弦信号和移相后的信号分别经过整形后相与，由 GATE门和INT1控制T1

25、，通过定时对外部信号高电平进行计时，从而测得相与后的高电平持续时间即T3由:360=T3:,算出即为相位滞后角1.2.2 显示模块 这一部分由2个8位数据锁存器74HC573、ULN2803以及8位LED数码显示管组成，ULN2803在电路中能起到大电流输出和高压输出作用，专门用来驱动继电器的芯片。当LE2为高电平，即时，LED位锁存器工作，当时序由高电平变为低电平时即发生负跳变时，将位选信号锁存，再经过ULN2803进行位选。当LE1为高电平，即时，数据通过P0口，当时序由高电平变为低电平时即发生负跳变时，经74HC573锁存，LED段锁存器工作，再经过延时，就能够将我们所要显示的频率或相位

26、按照我们的要求显示出了。显示模块电路见图1-6。图1-6 显示模块电路图1.2.3 片选模块片选模块电路见图1-7。图1-7片选模块电路图 这一模块由3-8线译码器74HC138和或非门74HC02组成。通过74HC138译码器，将A,B,C 3路信号译码，,所得信号CS3,CS4与信号相或非来控制锁存器的工作情况，,。1.2.4 电源输入模块电源模块电路见图1-8。图1-8 电源输入模块电路图 这部分电路由USB连接器，电源输入组成，为系统提供可靠稳定的电源。1.2.5 电路参数的计算及元器件的选择 显示部分（见图1-6），因为本组所测频率范围为20Hz到20KHz，共需5个八位LED数码显

27、示管，所以选用了两组4个的LED显示管。在移相整形部分（见图1-5），R3 、R5、 R13 、R14、 R18采用10K电阻，R4用100电阻，R7 、R16用510电阻，R8、R10用30K电阻，C1用0.2u电容。在片选部分（见图1-7）选用74HC138作译码器，选用74HC02对输出信号进行或非处理产生片选信号。1.2.6 74HC573的介绍 74HC573为八进制3态非反转透明锁存器 ，是高性能硅门 CMOS器件。器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和 LS/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（即输出同步）。当锁存使能变低

28、时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。其特点（1）输出能直接接到CMOS，NMOS和 TTL接口上 （2）操作电压范围：2.0V4.0V （3）低输入电流：1.0uA （4）CMOS器件的高噪声抵抗特性 其引脚图如图1-9。图1-9 74HC573引脚图 其功能表：见表1-2。表1-2 74HC573功能表输入输出输出使能锁存使能DQLHHHLHL LLLX不变HXXZX:任意变量Z:高阻抗额定功率的下降PDIP：10mW/ ，65125 SOIC：7 mW/ ，65125 74HC573参数最大值范围见表1-3。表1-3 74HC573参数最大值范围表符号参数值单位DC输出电压（参考GN

29、D）-0.5+7.0VDC输出电压（参考GND） -1.5VCC+1.5 VDC输出电压（参考GND）-0.5VCC+0.5V每一个PIN的输入电流20mA每一个PIN的输出电流35mADC供电电流，和GND之间75mA在自然环境下，PDIP和SOIC封装下的功耗750500mW存储温度-65+150引线温度，10秒（PDIP,SOIC）26074HC573推荐操作条件见表1-4。表1-4 74HC573推荐操作条件表符号参数最小最大单位DC供电电压（参考GND）2.06.0V DC输入电压，输出电压（参考GND）0V所有封装的操作温度-55+125 输入上升和下降时间 =2.0V =4.5V

30、 =6.0V 0001000500400ns这个器件带有保护电路，以免被高的静态电压或电场损坏。然而，对于高阻抗电路，必须要采取预防以免工作在任何高于最大值范围的条件下工作。VIN和VOUT应该被约束在GND（VIN或VOUT）VCC。 1.3 各单元模块的联接各个单元模块连接的具体关系参见附录1。第2章 系统软件设计2.1 软件设计原理及设计所用工具2.1.1 制图软件：Protel 99 SEProtel 99 SE系统是Protel Technology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，

31、是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。Protel 99 SE的系统组成分六大部分：（1）电路原理设计部分（Advanced Schematic 99）：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。 （2）印刷电路板设计系统（Advanced PCB 99）：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。（3）自动布线系统（Advanced Route 99）：无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动

32、化。（4）电路模拟仿真系统（Advanced SIM 99）：可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。（5）可编程逻辑设计系统（Advanced PLD 99）：对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。（6）高级信号完整性分析系统（Advanced Integrity 99）分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。Protel 99 SE的功能特性：（1）开放式集成化的设计管理体系。（2）超强功能的修改与编辑功能。（3）强大的设计自动化功能。2.

33、1.2 仿真软件：ProteusProteus的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。该软件的特点： （1）全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。 （2）具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS-232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 （3）目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、 ARM7、PIC1

34、2系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片等。 （4） 支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件是一款集单片机和 SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大 ，可仿真51、AVR、PIC、ARM等。 2.1.3集成开发环境：Keil uVision3Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器

35、等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。Keil C51软件操作界面如下图2-1图2-1 Keil C51软件操作界面2.2 软件设计的总体结构系统软件设计总体结构如图2-2。图2-2 系统软件设计总体结构图2.3 主要模块的设计流程框图程序流程如图2-3图2-3 程序流程方框图数据处理模块流程图见图2-4。 显示部分模块流

36、程图见图2-5。 图2-4数据处理部分方框图 图2-5显示部分方框图 第3章 系统仿真3.1 Proteus软件仿真3.1.1 Proteus仿真总图Proteus仿真结果总图见附录2和附录3及附录43.1.2 Proteus仿真的元件参数见附录5元件清单3.1.3 Proteus仿真的具体操作软件仿真是设计的一个重要部分，一般来说，如果能够在软件仿真获得成功，下一步的硬件调试就不会出多大的问题。我们运用的软件仿真平台式Proteus的ISIS仿真工具。首先按硬件调试平台或者是根据设计的原理图绘制出仿真的原理总图，然后根据需要一部分一部分的进行调试。在进行软件调试的时候，特别是对移相及整形电路

37、进行调试的时候，为了看它的时序是否符合技术资料上的时序要求，最好单步进行调试。这里提供了一个比较好的解决方案。通过KEIL C和Proteus 7.5，可以通过驱动让Proteus和KEIL C联合调试，并通过ISIS的数字示波器实时监视单总线的时序。频率及相位测试仪部分的仿真连接见图3-1。图3-1 频率及相位测试仪部分的仿真连接图移相信号波形如图3-2所示。黄色：原始信号蓝色：移相后的信号 图3-2 频率及相位测试仪移相后的波形从图3-2可以得出结论，正弦信号经过741后，成功的将正弦信号进行了移相。频率及相位测试仪整形后的波形如图3-3黄色：原始信号整形后的方波信号蓝色：移相后整形后的方

38、波信号图3-3 频率及相位测试仪整形后的波形从图3-3可以得出结论，原正弦信号和移相后的正弦信号经过LM324后成功的原正弦信号整形为矩形波信号，满足了我们对信号的需要。通过将原信号整形后得到的矩形波接入T0。图3.4是将两信号相与后得到的波形。将信号引入到T1。两信号相与后得到的波形如图3-4。黄色：原始信号整形后的方波信号蓝色：移相后整形后的方波信号红色：两信号相与后的波形图3- 4 频率及相位测试仪信号相与后的波形信号输入与信号显示对比如图3-5。图3-5信号输入与信号显示对比示意图3.2 硬件调试3.2.1 电源部分调试电源模块按照原理图接好后，先用万用表测量电源正极开始点与结束点的电

39、阻，其阻值接近0，则说明电源正极接线正确。同理检验地线。两者检验都正常后，再检查地线与正极之间的电阻，阻值为几K至无穷，则电源接线正确。第一次上电时，出现意外立即断掉电源。至电源正常稳定时，用万用表测量正极与地线之间的电压，为5.1V。电源调试成功。3.2.2 串口调试 检查电路是否正常，确认无误后，通电。同时检查该模块电源与地之间的电压，为5.1V时通电正常。插入MAX232芯片。与电脑串口相连。通过程序下载软件调试串口通信（注意选择相应的串口与芯片），直至程序下载成功。3.2.3 数码管调试检查接线正确后，通电。先检查位/ 段锁存器74HC573插座的VCC与GND。显示为5V时通电成功。

40、然后插上74HC573芯片，单片机中下载相应的数码管显示程序。观察上电后数码管的导通情况。第一次由于位选上加了100的限流电阻，所以数码管显示较暗。后来将电组端接后，数码管正常显示。3.2.4 移相整形电路的调试 检查接线正确后，通电。先检查74HC08和UA741CN插座的VCC与GND，是否正确连接。然后分别插上74HC08与UA741CN芯片，用示波器检查UA741CN芯片的第二管脚和第六管脚是否有输入（正弦波）、输出波形（矩形波），如果有则移相整形正确。最后在用示波器检测74HC08芯片的第一二管脚是否有相位不同平率相同的矩形波，另外在测第三管脚是否有与门输出后的矩形波。如果有则说明此

41、系统工作正常。第4章 系统稳定性设计4.1测量分析 本系统可完成对信号频率的频率测量和相位差测量。可实现测量频率的范围为20Hz到20KHz，相位的范围为0到360。可通过按键实现测频或测相，用LED数码管直接显示读数，显示清晰直观,但仍然存在误差 。4.2 理论误差分析 (1)在移相电路中由于电容电阻的值存在误差，导致了相位差的调整范围并不如理想中的大。 (2)在整波电路中所做出的电路并不完全是标准的方波，有些类似梯形。 (3)由于晶振存在着实际频率与标称频率的误差，会导致定时时间与计算时间的误差，从而导致角度误差。4.3 改进措施 (1)对于晶振引起的误差，可以采用与标称频率误差更小的晶振

42、来降低误差。 (2)可以通过在内部计算程序中将角度扩大十倍来显示小数点后一位，来增加精度。 第5章 展 望相位差测量数字化的优点在于硬件成本低、适应性强、对于不同的测量对象只需要改变程序的算法，且精度一般优于模拟式测量。在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中，常常需要测量两列同频率信号之间的相位差。例如，电力系统中电网并网合闸时，需要求两电网的电信号的相位差。相位差测量的方法很多，典型的传统方法是通过示波器测量，这种方法误差较大，读数不方便。本次设计是以AT89C51单片机为控制核心的频率及相位测试仪。本次设计可完成对信号频率的频率测量和相位差测量。本次设计中遇到很多平常不常注意的和遇到

43、的问题，知识面和实践上都有一些问题，在本次设计中充分感到了时间的紧迫和创新的快乐。理论上大胆假设，实践上小心求证。本组同学齐心协力在四周时间里完成了设计。本设计的数字测频测相仪具有原理简单、易于编程的特点。使用单片机的定时器与计数器实现频率的等精度测量是本次设计的亮点，但由于时间与技术上的问题，本次设计还有诸多问题，但总的来讲本次设计是成功的。致 谢在即将毕业之际，毕业设计已接近尾声，我想借此机会对关心和支持我的所有人表示感谢！ 首先，这次的毕业设计之所以能很好的完成，除了自己的努力外，也离不开老师同学的帮助，特别是指导老师戚新波，可以说没有他的帮助和督促，我就很难完成这次毕业设计。他劳心劳力

44、，在他的细心指导下，我才得以完成毕业设计。在此对他的无私帮助表示感谢。另外，在整个设计的过程中，还得到了同组其他同学的真诚帮助，在此对他们表示感谢！老师知识丰富，他认真、严谨、负责的工作态度和工作作风，也深深感染了我们！真真切切的让我们感受到了知识可贵，抓紧有限的时间学习和掌握专业知识的紧急迫性。他不仅教会了我们怎么样去学习和获得让我们立足社会的本领，更让我们学会了严谨的对待科学的态度，只有在尊重科学的基础之上，才可能有所作为和大胆的创新，才有可能把理论成果转化为现实的产品，服务社会和人民，体现知识的巨大力量和作用。这些都对我们今后的工作态度形成一种有益的引导。 衷心感谢学院领导的大力支持！为我们提供良好的实验设备和学习条件，使我们有机会锻炼自己的能力，也使我们有条件完成设计任务！