基于单片机的相位测量仪电路设计(编辑修改稿)

基于单片机的相位测量仪电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

013。 当继电器 J 吸合时，二极管 D 截止，不影响电路工作。 继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这时晶体管 9013 已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。 这个感应电压的极性是上负下正 ，正端接在 T 的集电极上。 当感应电压与 12V 电源电压之和大于晶体管的集电结的反向耐压时，晶体管有可能损坏。 加入二极管后，继电器线圈产生的感应电流由二极管D 流过，因此不会产生很高的感应电压，晶体管便得到了保护。 关于电磁继电器： 电磁继电器一般由铁 芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。 只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。 当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。 这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。 对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“ 常闭触点”。 AD0832 转 换 电路的设计 AD0832 工作原理 如图 所示，选通的待测信号 输入到 AD0832 的 CH1 端， 但先要经过整流二极管，将交流转换为直流 后 方可输入到 AD0832 中进行转换和判断。 图 AD 转换电路 沈阳航空 航天大学 电子 信息工程学院 毕业设计（论文） 17 判断依据是：对于未知的输入信号，首选的是将信号送入最大档位 进行测量。 若经 过整流二极管转换 后的待测信号幅值 Vm 满足 1V Vm ，表示该档是合理的档位，可以将 其送入相位测量电路进行后续处理；若 Vm1V，表示该信号相对于当前档位偏小，则选通下一档位，采用相同的方法进行比较判断 ；若 Vm，表示该信号超过了本设计规定的测量范围，同时发出超限报警信号。 AD0832 简要介绍 ADC0832 是 NS(National Semiconductor)公司生产的具有 Microwire／ Plus 串行接口的 8 位 A／ D 转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，芯片引脚少，适宜在袖珍式智能仪器中使用。 主要特点有： 8 位分辨率，逐次逼近型，基准电压 为 5V；输入模拟信号电压范围为 0～ 5V；输入和输 出 CMOS 兼容；在 250KHz时钟频率时，转换时间为 32us；具有两个可供选择的模拟输入通道；功耗低， 15mW。 ADC0832 有 DIP 和 SOIC 两种封装，本设计额中采用的是 DIP 封装，如上图 所示。 各引脚说明如下： CS 为片选端，低电平有效。 CH0， CHl 为两路模拟信号输入端。 DI 为两路模拟输入选择输入端。 D0 为模数转换结果串行输出端。 CLK 为串行时钟输入端。 VCC／ REF 为正电源端和基准电压输入端。 GND 为电源地。 配置位说明 ： ADC0832 工作时，模拟通道的选择及单端输入和差分输入的选择，都取决于输入时序的配置位。 当差分输入时，要分配输入通道的极性，两个输人通道的任何一个通道都可作为正极或负极。 ADC0832 的配置位逻辑表如表 1 所列。 沈阳航空 航天大学 电子 信息工程学院 毕业设计（论文） 18 表 ADC0832 配置位的说明 输入格式 配置位 选择通道号 CH0 CHl CH0 CHl 差分 L L + L H + 单端 H L + H H + 表中“ +”表示输入通道的端点为正极性；“ ”表示输入端点为负极性； H 或 L表示高、低电平。 输入配置位时，高位 (CHO)在前，低位 (CHl)在后。 工作时序： 当 CS 由高变低时，选中 ADC0832。 在时钟的上升沿， DI 端的数据移人 ADC0832 内部的多路地址移位寄存器。 在第一个时钟期间， DI 为高，表示启动位，紧接着输入两位配置位。 当输入启动位和配置位后，选通输入电平与吼和模拟通道，转换开始。 转换开始后，经过一个时钟周期延迟，以使选定的通道稳定。 ADC0832接着在第 4 个时钟下降沿输出转换数据。 数据输出时先输出最高位 (D7～ DO)；输出完转换结果后，又以最低位开始重新输出一遍数据 (D7～ DO)，两次发送的最低位共用。 当片选 CS 为高时，内部所有寄存器清 0，输出变为高阻态。 如果要再进行一次模数转换，片选 CS 必须再次从高向低跳变，后面再输入启动位和配置位。 相位测量电路的设计 相位测量模块主要包括整形电路的设计和鉴相器电路的设计。 其中，整形电路采用的是过零比较法将待测信号变成矩形波信号，然后再送给鉴相器电路进行下一步的处理。 而且，为了避免待测信号和参考信号在整形电路中产生附加相移或者发生相对相移，本设计对两路信号采用了相同的整形电路，这样即使发生相移，也能保证二者的相对相移为 0。 具体电路如图 所示。 其中， Ua、 Ub 分别是待测信号和参考信号 ； Uc、 Ud 分别是经过过零比较整形后的两路矩形波信号； Ue、 Uf 分别是经过三极沈阳航空 航天大学 电子 信息工程学院 毕业设计（论文） 19 管转换电路得到的只有 0、 1 电平的矩形波信号，用以作为 JK 触发器的时钟信号；Ug、 Uh 分别是经 JK 触发器后的二分频信号，同时也是鉴相器的输入信号； Ui、 Uj分别是相位差信号及其取反后的信号。 为了避免待测信号在过零点时含有干扰，这里用 LM339 组成如下图所示的整形电路，还应注意的是， LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选 315K）。 选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。 因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。 所以要加上拉电阻才能保证有高电平输出 ，本设计中采用的是 10K 的上拉电阻。 图 相位测量电路 LM339 简要介绍 LM339 电压比较器芯片内部装有四个独立的电压比较器， 图 是很常见LM339 引脚图的集成电路 图。 利用 lm339 可以方便的组成 各种电压比较器电路和振荡器电 路。 该电压比较器的特点是： 1）失调电压小，典型值为 2mV； 2）电源电压范围宽，单电源为 236V，双电源电压为177。 1V~177。 18V； 3）对比较信号源的内阻限制较宽； 4）共模范围很大，为 0~（ ） Vo ； 5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压； 6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339 集成块采用 C14 型封装。 由于 LM339 使用灵活，应用广泛，所以世界上各大 IC 生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如 IR233 ANI33 SF339 等，它们的参数基本一致，可互换 使沈阳航空 航天大学 电子 信息工程学院 毕业设计（论文） 20 用。 图 LM339 管脚图 LM339 类似于增益不可调的运算放大器。 每个比较器有两个输入端和一个输出端。 两个输入端一个称为同相输入端，用“ +”表示，另一个称为反相输入端，用“ ”表示。 用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择 LM339 输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。 当“ +”端电压高于“ ”端时，输出管截止，相当于输出端开路。 当“ ”端电压高于“ +”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。 两个输入端电压差别大于10mV 就能确保输出 能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把 LM339 用在弱信号检测等场合是比较理想的。 LM339 可构成 单限比较器、 迟滞比较器 、双限比较器（窗口比较器） 、振荡器等； 还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、 CMOS 电路接口。 JK 触发器 工作原理 的简要介绍 相位测量电路中用到两个 JK 触发器，二者工作原理一样，这里以前者为例来加以阐述： JK 触发器的 J 端、 K 端及电源端均接到 +5V 上，清零端通过 C9 接地，当接通电源瞬间，清除端通过 C9 处于低电平，使 Q 端置为低电平； C9 逐渐充电完毕，这时 清零端通过 R30 处于高电平。 当 CLK 端接收到触发脉冲时， Q 端有低电平变为高电平；当下一个脉冲到来， Q 端又由高电平变为低电平，如此不断反复。 74LS113 为双下降沿 JK 触发器，有预置位端。 其管脚图如图 所示。 沈阳航空 航天大学 电子 信息工程学院 毕业设计（论文） 21 图 74LS113 管脚图 引脚介绍： /CP /CP2 时钟输入端（下降沿有效） J J K K2 数据输入端 Q Q /Q /Q2 输出端 /SD /SD2 直接置位端（低电平有效） 功能表如表 所示： 表 74LS113 功能表 （说明： H— 高电平， L— 低电平， X— 任意，  — 高到低电平跳变 ） 鉴相器电路的设计 鉴相器就是异或门电路，在鉴相器的输入波形 Ug、 Uh 中，正脉冲宽度就是 Ug和 Uh 相位差所对应的时间差 T ， 由此可见，鉴相器在相位测量电路中起到了测量时沈阳航空 航天大学 电子 信息工程学院 毕业设计（论文） 22 间差的重要作用。 如图 所示。 图 鉴相器输入输出波形图 由图可知 ，鉴相器的输出信号是两输入信号的二倍频信号，而该输入信号是经过JK 触发器的 二分频信号，由此可知，该相位差信号和待测信号是同频的。 沈阳航空 航天大学 电子 信息工程学院 毕业设计（论文） 23 第 4 章 软件设计 在目前的单片机软件开发中，常用的语言是汇编语言和 C语言两种。 汇编语言是一种文字用助记符来表示机器指令的符号语言，其优点是程序占用资源少、运行速度快、执行效率高，但具有缺乏通用性、程序可移植性差、编程比高级语言困难等缺点。 C语言是是一种结构化程序设计语言，可产生紧凑代码。 C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持， C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可以根据单片机的不同较快的移植过来。 鉴于 C语言编程有众多优点，在本 设计中，采用的是 C语言编写程序。 C 语言的简介 C 语言特点 C 是高级语言。 它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。 C 语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作， 而这三者是计算机最基本的工作单元。 C 是结构式语言。 结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。 这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。 C 语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全 结构化。 C 语言功能齐全。 具有各种各样的数据类型，并引入 指针 概念，可使程序效率更高。 另外 C 语言也具有强大的图形功能，支持多种显示器和驱动器。 而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以实现决策目的的游戏。 C 语言对编写需要硬件进行操作的场合，明显优于其它解释型高级语言，有一些大型应用软件也是用 C 语言编写的。 沈阳航空 航天大学 电子 信息工程学院 毕业设计（论文） 24 C 语言的优势 C 语言是一种结构化的高级语言。 其优点是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。 C 语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。 C 语 言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。 C 语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。 此外， C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。 因此，使用 C 语言进行程序设计。