由于电力系统中工频周期为20 ms，因此，电压与电流的相位差测量精度取决于相位差信号的高电平宽度的测量。相位差为φ的电压和电流信号Ui和Ii分别经电压转换器和低通滤波器。再经相应过零比较器变成方波，最后经相位-时间转换电路得到与相位成比例的高电平方波。图2给出图1中各节点的信号波形。

 


    相位-时间转换法所得φo与实际相位有一定的相位差，这是由低通滤波器引起的，可通过软件进行补偿。φo信号是由单片机定时器定时计数高电平而测量的，其相位差φ为：


式中，△t为高电平宽度。
    由于P89V51RD2单片机振荡频率采用24 MHz，因此△t的测量分辨率可达0.5μs，因此相位精度可达0.018°，具有较高的相位测量精度。
    余弦值的计算采用查表和小数补偿算法。首先对计算出的相位整数度查表，求得当前值和下一整数值的余弦值；然后，计算小数部分余弦值的增量值为两整数余弦值之差乘以小数部分，最后，将当前值的整数相位余弦值加上小数值进行校正补偿。这样就可得到精度较高的功率因数。

3 系统硬件结构及其工作原理
　　图3为基于P89V51RD2单片机的功率因数测量仪电路原理图，该测量仪由信号预处理电路、相位检测电路、电源、显示和单片机小系统等模块组成。图3中的Ui、Ii、Uo、Io和φo各节点与图1中的各点相对应。