学士学位论文数字相差检测仪的制作.docx
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学士学位论文数字相差检测仪的制作
数字相差检测仪的制作
专业：
电气
班级：
XX班
学号：
XXXXXXXXXX
学生姓名：
XXX
指导教师：
XX
目录
摘要：
1
Abstract:
1
第一章绪论2
1.1测量相位差的作用和意义2
1.2相位差测量的研究现状2
1.3本课题研究的主要内容4
第一章：
最小二乘法以及快速傅里叶变换简介5
1.1：
最小二乘法简介5
2.1主程序流程图8
2.2位倒序算法实现9
2.4FFT算法的实现10
2.5AD采样的使用11
2.6定时器的使用12
第三章：
硬件电路设计13
3.1移相电路的设计13
3.2电压跟随器模块14
3.4电源电路16
3.4.1变压器简介16
3.4.2单相全桥整流电路16
结论17
致谢18
参考文献（Reference）19
附录：
20
基于最小二乘法的低频数字相位差检测仪的研究
摘要：
常见的相位差检测方法一般是过零法，通过外部硬件电路对正弦信号的零点进行检测，产生的脉冲信号出发MCU的外部中断，通过MCU的定时器计算出信号的频率以及相位差。
但是，现实生活中的正弦信号，特别是电网提供的交流电，或多或少都会有失真，如果交流电在过零点处失真特别严重，就可能会导致检测不出零点或者检测出多个零点，并且这种检测方法外部硬件电路比较复杂，成本较高。
所以，本文提出的最小二乘法因其成本低，使用范围广，可靠性高而被广泛应用。
主要方法是，在单周期内对两个信号进行2N点的采样，
把离散化后的信号相乘，通过快速傅里叶变化分解出其中的直流信号，最终计算得到两个正弦信号的相位差。
关键词：
最小二乘法，快速傅里叶变换
Thelow-frequencydigitalphasedetectorbasedonleast-squaremethodresearch
Abstract:
thephasedifferencedetectionmethodincommonisthezeropassagemethodandthroughexternalhardwarecircuitofzeropointofsinesignaldetection,producethepulsesignaloftheexternalinterruptofMCUbyMCUtimertocalculatethefrequencyandphasedifferenceofsignals.
Sinesignalinreallife,however,especiallythealternatingcurrentpowergridprovided,therewillbemoreorlessdistortion,ifalternatingcurrent（ac）inazerodistortionisextremelyserious,islikelytoleadtodetectthezeroordetectmorethanzero,andthetestmethodofexternalhardwarecircuitismorecomplex,highcost.So,inthispaper,theleastsquaremethodbecauseofitslowcost,wideuse,highreliabilityandiswidelyused.Themainmethodis,inasinglecycleoftwosignals2nsamplingpoints,
AfterthediscretizationofthesignalmultipliedbyfastFourierchangeintothedcsignal,finallythephasedifferenceoftwosinesignalsiscalculated.
Keywords:
leastsquaresmethod,fastFouriertransform
第一章绪论
1.1测量相位差的作用和意义
信号的相位差测量在电力系统、工业自动化、功率因素测量、谐波分析等许多领域都有着广泛的应用。
相位差是工业领域经常需要测量的一个参数，它是信号分析的基本任务，在实际工作中，经常需要测量两个同频信号之间的相位差，来解决实践中的各种问题。
相位差测量与传统电压、电流信号、温度量测量不同。
首先，相位差依附于电压、电流信号中，如何消除电压、电流、频率变化对相差测量的影响是相差测量中很重要的一个方面；其次，相差是一个比较量，测量两路信号之间的相差不但需要保证两路信号的频率相同，而且需要排除信号幅值不同等其他因素造成的影响，所以如何准确可靠得测量相差是一个值得研究的课题。
在实际工作中，通常需要测量两个同频信号的相位差来解决实际问题。
例如电网合闸时，需要保证两电网电信号的相位相同，这时需要精确测量两工频信号之间的相位差，如果两信号之间的相差不相同，就会有很大的冲击电流流过电网，会对电网产生很大的破坏，所以必须精确测量出两信号之间的相位差。
随着数字电子技术的发展，由数字电路组成的控制系统已经变成现代检测技术的主流，人们对数字测量系统也越来越重视。
相差的数字测量采用液晶屏显示，精度高，稳定性好，读数方便，所以，相位差的数字化测量有应用前景很广泛。
1.2相位差测量的研究现状
随着电子技术和计算机技术的发展，相位测量技术的发展也非常迅速，尤其在电气、电力电子技术方面得到了极大的重视和发展。
目前，相位测量技术已比较完善，测量方法及理论也比较成熟，相位测量仪已商品化和系列化，广泛应用于测量RC、LC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可分为三个阶段
第一阶段是在早期采用的如李妙育法、阻抗法、和差法、三电压法等，这些测量方法通常采用对比法和平衡法，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，从而大大简化程序设计，增强功能，使得响应的产品精度高、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。
目前，国内外提出了许多改进的高精确度的相位差测量方法，主要包括有：
（1）采用专用的数字处理芯片，利用正余弦表格及快速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来提高相差测量精度及展宽频带。
、
（3）采用新的算法来改进相差测量
（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。
基于不同微处理芯片也已开发了许多不同的相位计，常见的有以下几种：
（1）基于FPGA/CPLD的相差测量。
其优点是可以进行功能仿真，而且FPGA和CPLD的片内资源丰富，设计的流程简单，缺点是开发成本高。
（2）基于单片机控制的相位差测量设备。
该方法硬件上需要用到过零检测及异或电路，将两路输入信号的相位差转换成方波，再利用单片机测出该方波的占空比，并最终换算出电压。
（3）基于DSP技术的相位计。
相位检测系统主要由前置放大电路实现将被测信号（无论是电压还是电流）衰减为5V以内交流电压信号；由电压跟随器将前后级电路进行隔离，以保证测量系统不吸收被测信号源的能量，保证信号源的工作状态不被改变。
（4）基于PLD和PLL的相位计。
该数字式相位差测量仪以可编程逻辑PLD和锁相环PLL倍频电路为核心，实现两列信号相位差的自动测量。
在相位/频率测量技术领域，美国一直处于遥遥领先的地位，主要的公司有Agilent（安捷伦）、Tektronix（泰克）、AD－YU公司、DRANETZ实验室。
此外，俄罗斯，英国以及德国在此领域也具有较高水平。
国外的主要产品有美国安捷伦构思的53131A型通用计数器，该产品提供10秒/位的频率/周期分辨率和225MHz带宽，测量结果范围是1ns－10000s，时间分辨率为500ps，测相范围为-180°－360°，测量频率高达12.4GHz。
标准测量包括相位、频率、周期、时间间隔和上升/下降时间等。
英国Avpower公司的高精度相位计SD1000：
具有自动设置量程的功能，测量频率范围高达700KHz，允许输入频率高达100GHz，相位分辨率高达0.001，相位测量范围为-180°－180°，在相位测量精度方面，低频精度为±0.0020，高频精度为±0.20，微波为±0.10。
该产品被公认为是目前等级最高的相位计，输入信号幅值得范围为1mV－350V。
通过调研，目前国外商品化的通用相位计的水平低频段达1xHz数量级。
国内相位计领域起步较晚，相位测量技术的研究开始于70年代，早期研究相位测量的单位和技术人员很少，国内主要有天津中环电子生产商品化相位计，相位计量机构是中国计量科学研究院和国防科工委，产品主要测量工频信号。
目前，国内相位计产品领域发展迅速，如深圳创新仪器仪表SP312B系列等精度通用计数器/相位计，它以高性能的AVR单片机与CPLD为核心，测频分辨率8位/秒，可测周期范围10ns－7000s，测时范围40ns－7000s，相位测量范围0°－360°，测相精度0.05°，测量功能与Agilent53131A型计数器基本相同，但测量指标略低。
此外还有天津中环科仪电子仪器公司HG4180型数字相位计，其特点包括：
频率范围覆盖范围广、测量精度高、不但能测量相位，而且能测量频率、在全部频率范围内都能直接得到五位有效数字的频率读数、具有IEE488借口选件，主要用于工业测量领域。
总体来说，我国相位测量技术与国外相比还有较大的差距，主要体现在产品种类少，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较低，相位计量标准不完备。
因此对高精度相位测量算法的研究和相位计产品化设计刻不容缓。
1.3本课题研究的主要内容
当需要测量大功率，高压信号之间的相位差时，通常需要通过放大器或者变压器先将大功率、高压信号转换成小功率、低压信号才能输入到检测设备进行相位差进行测量。
但现实中的器件往往与理论上有一些差距。
受到器件的非线性、环境因素的影响，变换后的信信号总会出现或大或小的失真，在信号过零点出现震荡。
这样，通过过零检测的方法根本无法检测相位差。
这就需要有一种新的方法来进行相位差测量。
本设计主要是研究如何利用最小二乘法和快速傅立叶变换算法来测量相位差。
通过对两路信号在一个周期内进行点的采样，在将采样后的两路信号相乘，通过快速傅立叶变换算法计算出相乘后的信号中的直流分量的大小。
因为该直流分量的大小仅与两路信号的幅值及其相位差有关系，所以可以在通过公式计算出相位差。
应用这种测量方法，不仅提高了测量精度，节省了硬件成本，而且可以允许变换后的输入信号有一定程度的失真。
第一章：
最小二乘法以及快速傅里叶变换简介
1.1：
最小二乘法简介
对于两个相位差为的正弦信号和，利用积化和差公式可得
不难看出，合成的信号中包含了二次谐波和直流分量，且直流分量的大小仅和两信号的相位差和幅值有关系，也就是说，只要能求出该直流分量以及两个信号幅值的大小，相位差也就可以计算出来了。
1.2：
傅里叶级数简介
对于任意满足狄里赫利收敛条件（即周期函数的极值点数目为有限个，间断点的数目为有限个，且在一个周期内绝对可积）的周期函数，必定可以展开成一个收敛的傅里叶级数，其形、式为：
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