低频数字相位测量仪设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 低频数字相位测量仪 摘 要 设计了一个基于现场可编程门阵列（ 片机 相结合的低频数字相位测量仪。 本系统可分为三大基本组成部分：数据 测量 电路、数据运算控制电路和数据显示电路。 据测量 电路的功能就是实现将待测正弦信号的周期、相位差转变为 19 位的数字量。单片机数据运算控制电路的功能就是负责读取量 到的数据，并根据这些数据计算待测正弦信号的频率及两路同频正弦信号之间的相位差，同时通过功能键切换，显示出待测信号的频率和相位差。数据显示电路的设计采用静态显示方式，显示电路由 8 片 1 位串入 8 位并出的 74 本系统拟用 单片机相结合，构成整个系统的测控主体 。 整个系统发挥了 单片机各自的优势，具有高速而可靠的测控能力，具有比较强的数据处理能力，键盘输入及显示控制比较灵活，系统可扩展性比较好，整个系统性能价格比比较好。 关键词 单片机 ，频率，相位差，相位测量 仪 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 he a on of is of to 9 of is to to of s is 48 s of s is of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 题背景 . 1 究意义 . 1 究现状、水平及发展趋势 . 1 题核心 . 3 2 系统设计 . 4 计要求 . 4 体设计思想 . 4 体测量思路 . 5 3 设计方案 . 6 量方案 . 6 率测量 . 6 位差测量 . 8 弦波信号发生器设计 . 9 号整形电路的设计 . 9 案论证 . 9 于四电压比较器 . 11 相网络设计 . 11 能要求 . 11 案论证 . 11 4 据测量电路的设计 . 14 计原理 . 14 计思路 . 14 据测量电路的测量原理 . 14 度分析 . 14 述 . 15 计平 台 . 16 件设计平台 . 16 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 件设计平台 . 17 体软件设计 . 18 用 . 18 件设计方法 . 19 块功能描述和系统原理图 . 19 行监测程序 . 20 序中端口及引脚定义 . 20 体硬件连接 . 21 单片机的连接 . 21 它连接 . 22 5 单片机数据运算控制电路的设计 . 23 计思路 . 23 件电路和原理图 . 23 度分析 . 24 述 . 24 片机 . 24 性 . 24 脚排列 . 25 脚功能 . 26 功耗运行模式 . 28 计平台 . 29 件设计平台 . 29 件设计平台 . 29 件设计思路 . 29 程序设计 . 29 据读取模块 . 30 率计算模块 . 30 位差计算模块 . 31 示模块 . 31 6 数据显示部分 . 33 示电路的设 计 . 33 计思路 . 33 示器接口原理 . 33 示电路图 . 34 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 于 74. 34 4述 . 34 接说明 . 34 码管的编码 . 35 7 系统仿真和硬件验证 . 36 统的仿真 . 36 统调试的方法 . 36 统调试的软 /硬件 . 36 统的有关仿真 . 36 真分析 . 37 统的硬件验证 . 39 元电路的调试 . 39 统的 联合调试 . 40 统的硬件验证 . 40 据测试 . 40 据记录 . 40 据分析 . 41 结 论 . 42 附录 A：本设计 代码 . 45 附录 B：单片机的汇编语言源程序清单 . 51 附录 C：适合于 的部分器件引脚对照表 . 67 附录 D：系统总图 . 67 参考文献 . 69 致 谢 . 70 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 绪论 题背景 究意义 在电子测量技术中，频率测量是最基本的测量之一。频率是信号的重要参数之一，如何获得这一准确数据已经在信息领域显得越来越重要了。相位测量在信号提取、检测、处理等方面有着重要的应 用。 随着 相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在低频范围内，相位测量在电力、机械等部门有着尤其重要的意义，对于低频相位的测量，用传统的模拟指针式仪表显然不能够满足所需的精度要求，随着电子技术以及微机技术的发展，数字式仪表因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。 相位差是工业测控领域经常需要测量的参数，如电力系统中功率因数的测量、铁路系统中相敏轨道电路相位差的测量以及科氏质量流量计中的相位差测量等等。 1而相位差 的测量又不同于传统的电压、电流信号或物位、温度量的测量。首先，相位差信号依附于电压、电流信号中，如何剔除电压、电流、频率变化对相位差测量的影响是相位差测量中很重要的一个方面；其次相位差是一个比较量，测量两路信号之间的相位差不仅需要保证两路信号的频率相同，而且要排除由于两路信号的幅值等其它因素不一致而对测量造成的影响。因此，如何准确可靠地测量相位差是值得研究的课题。 究现状、水平及发展趋势 本设计 采用 技术，将 单片机相结合 来实现的。 术就是依赖功能强大的计算机，在 具软件平台上，对以硬件描述语言 为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合（布局布线），以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。 程在我国尚未普及，电子行业的专业人员、电子和计算机专业的大学生以及研究生亟需掌握 程的理论、方法和技术。 2 1 测频 常用的测频法和测周期法在实际应 用中具有较大的局限性， 并且对被测信号的计数存在 1 个字的误差。而在直接测频方法的基础上发展起来的等精度测频方法消除了计数所产生的误差，实现了宽频率范围内的高精度测量，但是它不能消除和降低标频所引入的误差。采用相检宽带测频技术，不仅实现了对被测信号的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 同步，也实现了对标频信号的同步，大大消除了一般测频系统中的 1 个字的计数误差，并且结合了现场可编程门阵列（ 具有集成度高、高速和高可靠性的特点，使频率的测量范围可达到 1频精度在 1s 闸门下达到 1011数量级。 频率 测量 是电子测量中经常遇到的问题，如何提高频率测量的准确度是关键。通常采用的方法有 如下两种： 低频端测周 期 高频端 测频 和多周期 同步 测量频率。采用低频端 测周 期 高频端测频时存在中界频率测量误差很大即测量死区问题，也就是说不论低端和高端测量准确度有多高，中界频率测量误差总是最大。因此从理论上讲频率的测量准确度很难提高到某个数量级；多周期同步测频法则不存在这样的问题，只要周期数足够大，测量的准确度总可以提高到一定程度。但多周期同步测量实际上只是对被测 信号 进行同步，对时钟信号并未同步，因此它只是一种准同步。根据多周期同步测频原理及测量误差 ， 目前已 提出完全同步频率测量的新方法，最后使用 单片机 实现这种测量，使测量频率的准确度大大提高。完全同步测量就是门控信号与被测信号和标准晶振信号都相关，测量开始和结束时门控信号与被测信号和标准晶振信号都同步，也就是门控时间既是被测信号周期的整数倍又是晶振信号周期的整数倍。这样在门控时间内被测信号和标 准晶振信号都没有量化误差，从而实现两信号的完全双同步。 利用相位检测技术控制同步触发即 可实现。当两路信号在某点相位相同，经过若干周期后它们在同一相位点相位又相同，那么这段时间两路信号一定都经过整数个周期 (但周期数不一定相同 )，用它作为同步门控时间控制两个主门的开启，两个计数器都不会产生 1 误差，从而实现真正意义上的同步测量 。 2 测相位差 两种常见的基于过零检测的相位差测量方法 1）基于异或门的测量方法：两路同频信号经过零比较后，得到两路同周期的方波。该两方波经异或后得到的脉冲宽度与信号周期的比值（占空比）即对应为两信号的相位差。这里的异或门相当于鉴相器。对脉宽信 号的处理有两种方法：种方法需要把脉冲宽度转换成积分电容上的电压信号，然后再通过 A/D 转换成数字量。由于采用电容充放电的测量形式，故不能用于较高分辨率的测量。这种模拟测量法现已被下述数字法代替。 过微处理器或定时、计数器对脉冲宽度计数，这种方法比电压测量法的精度有了一定的提高，但仍存在一些问题，如需要同步地获取异或后脉冲宽度和信号的周期并测量它们，这对于大多数微处理器来说是比较困难的。 2）直线近似法：此方法用于双极性信号的测量，故不能用于方波的相位差测量。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 传统相位差测量方 法的测量误差主要来自于对模拟信号的处理过程中，如模拟滤波器在滤除干扰的同时由于元件参数的离散性，测量元件受环境的影响以及元件老化带来的影响都会引入测量误差；又如信号经过比较器时由于比较器门限电压的存在而造成测量误差，这些误差都很难准确估量，也很难消除。 目前较准确的测量以基于 相位差的测量为代表，如基于函数计算的测量方法，基于傅立叶变换的测量方法等。 题核心 本设计采用单片机和现场可编程门阵列（ 作为低频数字相位测量仪的核心部分。考虑到 有集成度高， I/O 资源丰富，稳定可靠 ，可现场在线编程等优点，而单片机具有很好的人机接口和运算控制功能，本系统拟用 单片机相结合，构成整个系统的测控主体。其中， 要负责 测量 两个同频待测正弦信号的频率和相位差所对应的时间差，而单片机则负责读取 量 到的数据，并根据这些数据计算待测正弦信号的频率及两路同频正弦信号之间的相位差，同时通过功能键切换显示出待测信号的频率和相位差。整个系统发挥了单片机 各自的优势，具有高速而可靠的测控能力，具有比较强的数据处理能力，键盘输入及显示控制比较灵活，系统可扩展性能比较好，整个系统性能 价格比比较好。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 2 系统设计 计要求 设计并制作一个低频数字相位测量仪，其设计要求如下： （ 1） 频率范围： 200 （ 2） 相位测量仪的输入阻抗 100 （ 3） 允许两路输入正弦信号峰 5V 范围内变化。 （ 4） 相位测量绝对误差 2。 （ 5） 具有频率测量及数字显示功能。相位差数字显示：相位读数为 0分辨力为 体设计思想 根据系统的设计要求，本系统可分为三大基本组成部分：数据测量 电路、数据运算控制电路和数据显示电路。考虑到 有集成度高， I/O 资源 丰富，稳定可靠，可现场在线编程等优点，而单片机具有很好的人机接口和运算控制功能，本系统拟用 单片机相结合，构成整个系统的测控主体。其中， 要负责测量 两个同频待测正弦信号的频率和相位差所对应的时间差，而单片机则负责读取 量 到的数据，并根据这些数据计算待测正弦信号的频率及两路同频正弦信号之间的相位差，同时通过功能键切换显示出待测信号的频率和相位差。同时，由于 脉冲信号比较敏感，而被测信号是周期相同、相位不同的两路正弦波信号，为了准确地测出两路正弦波信号的相位差及其频率，我们需要对输入波形进行整形，使正弦波变成方波信号，并输入 行处理。综上所述，整个系统的总体原理框图如图 示。 图 系统原理框图 整形电路 整形电路 P G A 或 C P L D 数据采集 电路 单片机 数据 运算 控制 电路 数据显示电路 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 体 测量 思路 测量原理图如图 示。 两路频率相同、相位不同的正弦波信号整形后得到的方波信号； 据采样信号（频率为 10时间检测使能信号，它是在 部根据 生的（例如图示是根据 生的）。 C L K F C L K B K A A E N N 2图 量原理示意图 量原理：在 效期间，当任意一路待测信号的下降 沿来时（例如图中所示为 始对 期（ 进行计数，计至另一路信号的下降 沿来时（例如图中为 此时得到一个 19 位的 计数值，该计数值我们设它为 为对两个同频正弦信号的时间差计数得到的计数值 ； 在有效期间， 续对 期进行 计数，计至第一路信号（例如图示中为又一个下降 沿来时，此时得到一个 19 位的 计数值，该计数 值我们设它为 为对被测正弦信号的周期计数得到的计数值 。 单片机计算原理：单片机从 取信号的周期和 a、 b 信号相位差所对应的时间差，为了达到系统所要求的精度，在计算时为了保证不丢失数据，采用扩大数据倍数，定点取数的方法。在计算频率和相位差 f 和相位差 时， f 和 分别扩到了 10 000 000 倍和 10 倍，即 10000000 式（ 3 6 0 1 0 式（ 然后定点取数值，在单片机完成的计算中，当m a x 2 0 kH T，时，数据位数 20 位，因此采用了多字节乘法，保证了数据的计算准确。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 3 设计方案 量方案 率测量 方案一： 采用测周期法。需要有标准信号的频率 待测信号的一个周期，记录标准频率的周期数 被测信号的频率为 0 式（ 如图 示 。这种方法的计数值会产生 1 个脉冲误差，并且测试精度与计数器中记录的数值 关。为了保证测试精度，测周期法 适合于低频信号的测量。 标 准 信 号被 测 信 号T xN 周期法测量频率示意图 方案二：采用测频法。测频法就是在确 定的闸门时间 ，记录被测信号的变化周期数（或脉冲个数） 图 示），则被测信号的频率 为 式（ 这种方法的计数值会产生 1 个脉冲误差，并且测试精度与计数器中记录的数值 关 。 T wN 闸 门被 测 信 号图 频法测量周期频率示意图 方案三：采用等精度频率测量法，测量精度保持恒定，不随所测信号的变化而变化。在快速测量的要求下，要保证较高精度的测频，必须采用较高的标准频率信号。单片机受本身时钟频率和若干指令运算的限制，测频速度较慢，无法满足高速、高精度的测频要求；而采用高集成度、高速的现场可编程门阵列 精度的测频提供了保证。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 等精度测频法：其实现方式可用图 说明。 门 控 信 号标 准 频 率 信 号被 测 信 号清 零 信 号C L K E T 1C L K E T 2O U T 1O U T 2图 精度测频法原理框图 图中，预置门控信号是宽度为 一个脉冲， 两个可控计数器。标准频率信号从 时钟输入 端 入 ，其频率为 整形后的被测信号从 时钟输入端 入，设其实际频率为 预置门控信号为高时，经整形后的被测信号的上升沿通过 D 触发器的 Q 端同时启动计数器 别对被测信号（频率为 标准频率信号（频率为同时计数。当预置门信号为低时，随后而至的被测信号的上升沿将两个计数器同时关闭。设在一次预置门时间 对被测信号的计数值为 标准信号的计数值为 下式成立： 式 (由此推得： 式 (若所测频率值为 真实值为 准频率为 次测量中，由于 数的起停时间都是该信号的上跳沿触发的，因此在 间内对 计数 误差，在此时间内的计数 多相差一