文档介绍：第1章绪论
相位测量仪是电力部门、工厂和矿山、石油化工、冶金系统进行二次回路检查的理想的高精度仪表。尤其适用于电能计量、用电检查、继电保护、差动检测、电力建设和变送电工程等。是电力系统各部门的必备仪器之一。
课题研究背景
在电子测量技术中,相位测量时最基本的测量手段之一,相位测量仪式电子领域的常用仪器。随着相位测量技术广泛应用于科学研究、实验、生产实践等各个领域,对相位测量技术的要求也向高精度高智能化方向发展,在低频范围内,相位测量在电力、机械等部门具有非常重要的意义。
基于数字式相位测量仪的高精度、高智能化、直观化的特点,工业上常常用此进行低频信号相位差的精确测量。同频信号间相位差的测量在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、电子、地球物理勘探等许多领域都有着广泛的应用。尤其在工业领域中,相位不仅是衡量安全的重要依据,还可以为节约能源提供参考。
课题研究内容
相位测量
相位差的测量原理主要有三种:过零检测法——基于对信号波形的变换比较;倍乘法——基于对傅氏级数的运算;矢量法——基于对三角函数的运算。
过零点检测法是一种将相位测量变为时间测量的方法。其原理是将基准信号的过零时刻与被测信号的过零时刻进行比较,,且对启动采样电路要求不高,同时还具有测量分辨率高、线性好和易数字化等优点.
倍乘法:任何一个周期函数都可以用傅氏级数表示,即用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示,倍乘法测量相位差所用的运算器是一个乘法器,2个信号是频率相同的正弦函数,相位差为
,运算结果经过一个积分电路,可以得到一个直流电压,电路的输出和被测信号相位差的余弦成比例,因此其测量范围在45°以内,为使测量范围扩展到360°,,可以滤掉信号波形中的高次谐波,有效抑制了谐波对测量准确度的影响.
矢量法:任何一个正弦函数都可以用矢量来表示,如各个正弦信号幅度相等、频率相同,,灵敏度较好,可行度也较高;但在180°附近灵敏度降低,,因此这种方法适用于较宽的频带范围。
上述3种测量相位的方法各有优势,从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看,过零检测法的输出正比于相位差的脉冲数,且易于实现数字化和自动化,故本研究采用过零检测法。
基本要求
本设计研究了一种可测20Hz-20kHz内任意频率数字式相位测量仪的设计方法。主要内容是以AT89C51为控制核心,实现对音频范围内的正弦交流信号的相位的测量,可测的信号相位差在0~360度范围内,。
两路信号(同频、不同相,一路为待测信号,另一路为参考信号)通过过零比较器电路整形成矩形波信号,再通过鉴相器,得到相位差信号。这样就构成了相位测量系统的测量电路。再将该相位差信号送入单片机的外部中断端口,通过单片机对数据的处理,最后方可得到所要测量的相位差,并在液晶上显示出测量结果。
第2章方案论证
本设计中,相位测量仪主要是对被测网络的输入、输出信号的相位差进行测量。这样的两路待测信号为同频不同相的正弦交流信号,频率范围为20Hz-20kHz,幅度为0V~500V。相位差测量的基本原理为:对信号波形的变换、比较及相关数学运算。即对于被测信号是同频不同相的两路正弦交流信号,为了准确地测量出该相位差,需要对输入信号的波形进行整形,本设计利用LM339组成整形电路,使输入信号变成矩形波信号,再经异或门组成的鉴相器电路,输出即为相位差信号,再结合单片机的数据处理功能,最后通过液晶即可显示出该相位差。由于单片机的工作电压在5V左右,所以在进行相位测量前,还需将被测信号进行分档降压处理。
自动量程控制原理论证
本设计中,待测信号是0V~500V正弦交流信号,要想进行相位测量,则需先将该信号进行降压处理。常见的交流降压法有降压变压器降压法、电容降压法、电感降压法、纯电阻电路降压法,考虑到本设计中的降压过程不得引入新的相移,否则影响下一步的相位测量的精准度,此处选择最后一种方法,即纯电阻电路的降压法,该电路实现起来直观、简易且误差小。
本设计中,将待测信号分成三个档位:500V、50V、5V。结合继电器的自动开关作用,即当待测信号的满足其中某一档位的指标时,则相应的被控电路导通,从而自动量程控制电路转入相位测量电路进行后续数据处理等功能。
相位测量原理论证
由数学关系可知,时间差和相位差有如下关系:
()
由此可得:
()
其中,是相位