CN207557345U - 一种数字式相位测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种数字式相位测量仪，涉及电子技术领域，该数字式相位测量仪包括整形电路模块、移相电路模块、DSP处理器、单片机处理器、LED显示电路以及可实现DSP处理器与单片机处理器两者间共享数据的外部存储器，所述整形电路模块、移相电路模块、DSP处理器、单片机处理器以及LED显示电路按序电连接，所述外部存储器与DSP处理器、单片机处理器两者均电连接。本实用新型提供的一种数字式相位测量仪其不仅自动化程度较高，电路调试过程简单，操作简便，且测量精度高。

Description

一种数字式相位测量仪

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，尤其指一种数字式相位测量仪。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展，很多测量仪器逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，数字式相位测量仪是电子测量领域中的常用仪器，相位测量技术应用于国防，科研和生产各个领域，对生活和科研方面都有重要的意义，比如电力线双向工频通信系统中收发端如有电压相位差，造成信号接收时出现偏差会严重影响通信性能，因此我们对相位测量的要求也逐步向高精度，高智能的方向发展。传统的测量相位的仪器有：一、可变延长线法的AD-Y 系列的测量仪，其相位电路的调试步骤较多，且大部分调试步骤须人工操作完成，自动化程度不高，操作复杂；二、模拟指针式仪表，其测量精度不够高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种数字式相位测量仪，解决了传统的测量相位的仪器其相位电路的调试工作复杂、自动化程度不高以及测量精度不高的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种数字式相位测量仪，包括整形电路模块、移相电路模块、DSP处理器、单片机处理器、LED显示电路以及可实现DSP处理器与单片机处理器两者间共享数据的外部存储器；所述整形电路模块设有第一信号输入端、第二信号输入端、鉴相信号输出端和极性信号输出端；所述移相电路模块设有鉴相信号输入端、鉴相信号输出端、移相信号输出端；所述DSP处理器设有鉴相信号输入端、极性信号输入端、移相信号输入端以及输出端；所述单片机处理器设有输入端和显示信号输出端；

所述整形电路模块的鉴相信号输出端与移相电路模块的鉴相信号输入端电连接，所述整形电路模块的极性信号输出端与DSP处理器的极性信号输入端电连接，所述移相电路模块的鉴相信号输出端与DSP处理器的鉴相信号输入端电连接，所述移相电路模块的移相信号输出端与DSP处理器的移相信号输入端电连接，所述DSP处理器的输出端与单片机处理器的输入端电连接，所述单片机处理器的显示信号输出端与LED显示电路电连接，所述外部存储器与DSP处理器、单片机处理器均电连接。

进一步地，所述整形电路模块包括LM324比较器、4013D触发器和4076异或门，所述LM324比较器用于将第一信号输入端、第二信号输入端输送的两路同频率的正弦波转变为两路方波，所述4013D触发器用于将LM324比较器输出的两路方波进行二分频，所述4013D触发器的两个Q输出端与4076异或门的两输入端电连接，所述4076异或门的输出端为整形电路模块的鉴相信号输出端，所述4013D触发器的两个Q输出端还分别与一D触发器的两输入端电连接，所述D触发器与4076异或门并联，所述D触发器的Q输出端为整形电路模块的极性信号输出端。

进一步地，所述LM324比较器的正相输入端、反相输入端均串联有一个电阻，所述正相输入端的电阻的一端接入待测信号，所述反相输入端的电阻的一端接地，所述正相输入端的另一端与反相输入端的另一端之间连接有两个二极管，所述两个二极管并联。

更进一步地，所述移相电路模块包括超前移相电路、滞后移相电路以及电压跟随电路；所述超前移相电路包括电压跟随器A1、电容C1和电阻R1，所述滞后移相电路包括电压跟随器A2、电阻R2和电容C2，所述电压跟随电路包括电压跟随器A3；

所述电容C1的一端、电阻R2的一端以及电压跟随器A3的同相输入端三者共线且该共线端为移相电路模块的鉴相信号输入端，所述电阻R1的一端与电容C2的一端共线且该共线端接地，所述电压跟随器A1的输出端与电压跟随器A2的输出端之间连接有一电位器RP1，所述电位器RP1的可调端连接有一同相放大器A4，所述同相放大器A4的正相输入端与RP1电连接，所述同相放大器A4的输出端串联有一电位器RP3，所述电位器RP3的可调端为移相电路模块的移相信号输出端，所述电压跟随器A3的输出端串联有一电位器RP2，所述电位器RP2的可调端为移相电路模块的鉴相信号输出端。

更进一步地，所述外部存储器采用CY7C133。

再进一步地，所述DSP处理器和单片机处理器之间还电连接有缓冲器，所述缓冲器采用74LVC16245A。

再进一步地，所述DSP处理器采用TMS320VC5402。

优选地，所述单片机处理器采用ATM89S52。

本实用新型提供的一种数字式相位测量仪，将两路待测正弦波信号通过整形电路模块与移相电路模块进行放大整形，形成两路占空比为50%的方波，且两路方波信号由整形电路模块形成鉴相脉冲信号和极性脉冲信号并该两信号送至DSP处理器进行信号处理，通过DSP处理器的高精度运算得出两路待测信号的相位差，该相位差由单片机处理器控制LED显示电路显示出来，显然，在本实用新型中，只需将两路待测信号接入测量仪中，测量仪调试确认有信号输入后即可很直观的测量并显示出待测信号的相位差，其电路调试的自动化程度较高，工作人员基本无需手工调试，操作非常简便，且在本实用新型中，DSP处理器承担测量仪的数字信号处理工作，可实现多位运算功能，运算速度快、精度高，而单片机处理器仅承担控制LED显示电路工作，与DSP处理器作为测量仪的双CPU相互配合工作，使得测量仪的测量精度高、性能稳定。

附图说明

图1为本实用新型中的数字式相位测量仪的总体结构框图；

图2为本实用新型中的数字式相位测量仪的工作程序流程图；

图3为本实用新型中的整形电路模块的电路图；

图4为本实用新型中的移相电路模块的电路图；

图5为本实用新型中的DSP处理器与单片机处理器硬件接口电路图。

附图标记为：

1——整形电路模块 2——移相电路模块 3——DSP处理器

4——单片机处理器 5——LED显示电路 6——外部存储器。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本实用新型的限定。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解所述术语的具体含义。

如图1所示，一种数字式相位测量仪，包括整形电路模块1、移相电路模块2、DSP处理器3、单片机处理器4、LED显示电路5以及可实现DSP处理器3、单片机处理器4两者间共享数据的外部存储器6；所述整形电路模块1设有第一信号输入端、第二信号输入端、鉴相信号输出端和极性信号输出端；所述移相电路模块2设有鉴相信号输入端、鉴相信号输出端、移相信号输出端；所述DSP处理器3设有鉴相信号输入端、极性信号输入端、移相信号输入端以及输出端；所述单片机处理器4设有输入端和显示信号输出端；

所述整形电路模块1的鉴相信号输出端与移相电路模块2的鉴相信号输入端电连接，所述整形电路模块1的极性信号输出端与DSP处理器3的极性信号输入端电连接，所述移相电路模块2的鉴相信号输出端与DSP处理器3的鉴相信号输入端电连接，所述移相电路模块2的移相信号输出端与DSP处理器3的移相信号输入端电连接，所述DSP处理器3的输出端与单片机处理器4的输入端电连接，所述单片机处理器4的显示信号输出端与LED显示电路电连接，所述外部存储器6与DSP处理器3、单片机处理器4均电连接。

上述实施方式提供的数字式相位测量仪，其工作原理如下：

一、整形电路模块1的第一信号输入端、第二信号输入端先接收来自两路同频不同相位的待测正弦波信号A、B，然后将两路正弦波信号A、B转变成占空比为50%的两路方波信号，最后由两路方波信号形成待测信号A、B的鉴相脉冲信号C和极性信号D，其中鉴相脉冲信号C从整形电路模块1的鉴相信号输出端输出并被送至移相电路模块2的鉴相信号输入端，而极性信号D则从整形电路模块1的极性信号输出端输出并被送至DSP的极性信号输入端；

上述两路待测正弦波信号A、B的电压与相位之间的关系为：

UA= Um1sin（ωt+Ψ1）；UA= Um2sin（ωt+Ψ2）

其中，UA和UB为电压瞬时值，Um1和Um2为电压幅值，ω为角频率，Ψ1和Ψ2为初始相位，由于这两路待测信号的频率相同，因此这两路待测信号A、B的相位差θ=Ψ1-Ψ2是一个与时间无关的常数；

二、移相电路模块2的鉴相信号输入端接收来自整形电路模块1的鉴相脉冲信号C，当鉴相脉冲信号C频率发生变化时，该移相电路模块2可使鉴相脉冲信号C的相位发生连续性的变化，使之达到工作或测试需求，移相电路模块2产生两路信号，一路为原鉴相脉冲信号C，另一路为上述移相后的移相脉冲信号E；

三、DSP处理器3先通过其鉴相信号输入端、移相信号输入端、极性信号输入端接收来自移相电路模块2的鉴相脉冲信号C、移相脉冲信号E以及来自整形电路模块1的极性信号D，然后将鉴相脉冲信号C与DSP处理器3内部晶振电路产生的基准脉冲波F进行与操作得到调制后的波形G（如需要调整鉴相脉冲信号C的相位，则须另移相脉冲信号E与DSP处理器3内部晶振电路产生的基准脉冲波F进行与操作），最后DSP处理器3在一定时间范围内对基准脉冲波F与波形G的脉冲个数进行计数，得到Nf、Ng，通过相位差公式可计算得出待测信号A与待测信号B两者间的相位差，该相位差公式为：

四、DSP处理器3把处理后的数据（如上述相位差θ的值）通过其输出端传输给单片机处理器4，由单片机处理器4控制LED显示电路将系统需要显示的数据显示出来。

综上所述，本实施方式提供的数字式相位测量仪，将两路待测正弦波信号通过整形电路模块1与移相电路模块2进行放大整形，形成两路占空比为50%的方波，且两路方波信号由整形电路模块1形成鉴相脉冲信号和极性脉冲信号并该两信号送至DSP处理器3进行信号处理，通过DSP处理器3的高精度运算得出两路待测信号的相位差，该相位差由单片机处理器4控制LED显示电路5显示出来，显然，在本实施方式中，只需将两路待测信号接入测量仪中，测量仪自动调试确认有信号输入后即可很直观的测量并显示出待测信号的相位差，自动化程度较高，操作非常简便，且在本实用新型中，DSP处理器3承担测量仪的数字信号处理工作，可实现多位运算功能，运算速度快、精度高，而单片机处理器4仅承担控制LED显示电路工作，与DSP处理器3作为测量仪的双CPU相互配合工作，使得测量仪的测量精度高、性能稳定。

进一步，如图2所示，所述整形电路模块1包括LM324比较器、4013D触发器和4076异或门，所述LM324比较器用于将第一信号输入端、第二信号输入端输送的两路同频率的正弦波转变为两路方波，所述4013D触发器用于将LM324比较器输出的两路方波进行二分频，所述4013D触发器的两个Q输出端与4076异或门的两输入端电连接，所述4076异或门的输出端为整形电路模块1的鉴相信号输出端，所述4013D触发器的两个Q输出端还分别与一D触发器的两输入端电连接，所述D触发器与4076异或门并联，所述D触发器的Q输出端为整形电路模块1的极性信号输出端。

进一步，如图2所示，所述LM324比较器的正相输入端、反相输入端均串联有一电阻，所述正相输入端的电阻的一端接入待测信号，所述反相输入端的电阻的一端接地，所述正相输入端的另一端与反相输入端的另一端之间连接有两二极管，所述两二极管并联，在此种结构下，LM324比较器的响应速度非常快。

更进一步，如图3所示，所述移相电路模块2包括超前移相电路、滞后移相电路以及电压跟随电路；所述超前移相电路包括电压跟随器A1、电容C1和电阻R1，所述滞后移相电路包括电压跟随器A2、电阻R2和电容C2，所述电压跟随电路包括电压跟随器A3；

所述电容C1的一端、电阻R2的一端以及电压跟随器A3的同相输入端三者共线且该共线端为移相电路模块2的鉴相信号输入端，所述电阻R1的一端与电容C2的一端共线且该共线端接地，所述电压跟随器A1的输出端与电压跟随器A2的输出端之间连接有一电位器RP1，所述电位器RP1的可调端连接有一同相放大器A4，所述同相放大器A4的正相输入端与RP1电连接，所述同相放大器A4的输出端串联有一电位器RP3，所述电位器RP3的可调端为移相电路模块2的移相信号输出端，所述电压跟随器A3的输出端串联有一电位器RP2，所述电位器RP2的可调端为移相电路模块2的鉴相信号输出端；

在此移相电路模块2中，电容C1、C2，电阻R1、R2以及电位器RP1的数值不同，移相电路模块2所能实现的移相范围也不同，通过改变电位器RP1可使鉴相脉冲信号C在连续范围内移相，而在此移相电路模块2中，通过改变电位器RP2可实现鉴相脉冲信号的幅值发生变化，通过改变电位器RP3可实现移相脉冲信号E的幅值发生变化。

更进一步，所述外部存储器6采用CY7C133。

再进一步，如图4所示，所述DSP处理器3和单片机处理器4之间还电连接有缓冲器，所述缓冲器采用74LVC16245A。

再进一步地，所述DSP处理器3采用TMS320VC5402。

优选地，所述单片机处理器4采用ATM89S52。

上述实施例为本实用新型较佳的实现方案，除此之外，本实用新型还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本实用新型的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本实用新型相对于现有技术的改进之处，本实用新型的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本实用新型的内容。

Claims (8)

1.一种数字式相位测量仪，其特征在于：包括整形电路模块（1）、移相电路模块（2）、DSP处理器（3）、单片机处理器（4）、LED显示电路（5）以及可实现DSP处理器（3）与单片机处理器（4）两者间共享数据的外部存储器（6）；所述整形电路模块（1）设有第一信号输入端、第二信号输入端、鉴相信号输出端和极性信号输出端；所述移相电路模块（2）设有鉴相信号输入端、鉴相信号输出端、移相信号输出端；所述DSP处理器（3）设有鉴相信号输入端、极性信号输入端、移相信号输入端以及输出端；所述单片机处理器（4）设有输入端和显示信号输出端；

所述整形电路模块（1）的鉴相信号输出端与移相电路模块（2）的鉴相信号输入端电连接，所述整形电路模块（1）的极性信号输出端与DSP处理器（3）的极性信号输入端电连接，所述移相电路模块（2）的鉴相信号输出端与DSP处理器（3）的鉴相信号输入端电连接，所述移相电路模块（2）的移相信号输出端与DSP处理器（3）的移相信号输入端电连接，所述DSP处理器（3）的输出端与单片机处理器（4）的输入端电连接，所述单片机处理器（4）的显示信号输出端与LED显示电路电连接，所述外部存储器（6）与DSP处理器（3）、单片机处理器（4）均电连接。

2.根据权利要求1所述的数字式相位测量仪，其特征在于：所述整形电路模块（1）包括LM324比较器、4013D触发器和4076异或门，所述LM324比较器用于将第一信号输入端、第二信号输入端输送的两路同频率的正弦波转变为两路方波，所述4013D触发器用于将LM324比较器输出的两路方波进行二分频，所述4013D触发器的两个Q输出端与4076异或门的两输入端电连接，所述4076异或门的输出端为整形电路模块（1）的鉴相信号输出端，所述4013D触发器的两个Q输出端还分别与一D触发器的两输入端电连接，所述D触发器与4076异或门并联，所述D触发器的Q输出端为整形电路模块（1）的极性信号输出端。

3.根据权利要求2所述的数字式相位测量仪，其特征在于：所述LM324比较器的正相输入端、反相输入端均串联有一个电阻，所述正相输入端的电阻的一端接入待测信号，所述反相输入端的电阻的一端接地，所述正相输入端的另一端与反相输入端的另一端之间连接有两个二极管，所述两个二极管并联。

4.根据权利要求3所述的数字式相位测量仪，其特征在于：所述移相电路模块（2）包括超前移相电路、滞后移相电路以及电压跟随电路；所述超前移相电路包括电压跟随器A1、电容C1和电阻R1，所述滞后移相电路包括电压跟随器A2、电阻R2和电容C2，所述电压跟随电路包括电压跟随器A3；

所述电容C1的一端、电阻R2的一端以及电压跟随器A3的同相输入端三者共线且该共线端为移相电路模块（2）的鉴相信号输入端，所述电阻R1的一端与电容C2的一端共线且该共线端接地，所述电压跟随器A1的输出端与电压跟随器A2的输出端之间连接有一电位器RP1，所述电位器RP1的可调端连接有一同相放大器A4，所述同相放大器A4的正相输入端与RP1电连接，所述同相放大器A4的输出端串联有一电位器RP3，所述电位器RP3的可调端为移相电路模块（2）的移相信号输出端，所述电压跟随器A3的输出端串联有一电位器RP2，所述电位器RP2的可调端为移相电路模块（2）的鉴相信号输出端。

5.根据权利要求4所述的数字式相位测量仪，其特征在于：所述外部存储器采用CY7C133。

6.根据权利要求5所述的数字式相位测量仪，其特征在于：所述DSP处理器和单片机处理器之间还电连接有缓冲器，所述缓冲器采用74LVC16245A。

7.根据权利要求6所述的数字式相位测量仪，其特征在于：所述DSP处理器采用TMS320VC5402。

8.根据权利要求7所述的数字式相位测量仪，其特征在于：所述单片机处理器采用ATM89S52。