低频数字式相位测量仪(缪学进).doc

低频数字式相位测量仪该系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三个模块构成，分别由两块单片机独立地实现控制与显示功能。采用DDS技术生成两路正弦波信号，并通过改变存储器中数据读取的起始地址来实现数字移相的功能，用-T变换技术来实现相位差的测量，使得显示分辨率精确到0.01，测得的频率与相位差值送入LCD进行显示，加入红外键盘以及语音播报的功能，使得系统具有智能化、人性化的特色。关键词：相位测量 频率测量 数字移相 DDS 语音播报一 方案论证与设计1 相位测量方案方案一：采用脉冲填充计数法。将正弦波信号整成方波信号，对两路方波信号进行异或操作之后输出脉冲序列的脉宽可以反映两列信号的相位差，以输入信号所整成的方波信号作为基频，经锁相环倍频得到的高频脉冲作为闸门电路的计数脉冲，由单片机对获取的计数值进行处理得到两路信号的相位差。方案二：鉴相部分同方案一，将两路方波信号异或后与晶振的基准频率进行与操作，得到一系列的高频窄脉冲序列。通过两片计数器同时对该脉冲序列以及基准源脉冲序列进行计数，一路方波信号送入单片机外部中断口，作为控制信号控制两片计数器。得到的两路计数值送入单片机进行处理得相位差值。对以上方案进行比较，方案一在所测频率较高时，受锁相环工作频率等参数的影响会造成相位差测量的误差，采用方案二由高精度的晶振产生稳定的基准频率，可以满足系统高精度、高稳定度的要求。2 频率测量方案方案一：用专用频率计模块来测量频率，如ICM7216芯片，其内部带放大整形电路，可以直接输入正弦信号，外部振荡部分选用一块高精度晶振和两个低温度系数电容构成10MHz振荡电路，其转换开关具有0.01s，0.1s，1s，10s四种闸门时间，量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果。该方案外围硬件电路较为复杂。方案二：利用可编程计数器来实现频率的测量，将被测信号转换为方波信号输入可编程计数器8254的某一路Clk端口，并将Gate端置为高电平，利用单片机产生的定时中断来控制8254的计数，最后计数值送入单片机处理并输出。本设计中我们采用方案二。3 数字移相信号发生器方案在数字移相信号发生器模块电路中，首先要生成两路相同频率、不同相位的正弦波信号，目前DDS已经是很完善的一种数字信号产生方案，所以在该部分，我们对产生正弦波信号的数字移相方案进行论证。方案一：将正弦波量化为一张数据表分别存储于两片之中，通过单片机控制计数器来对存储器中的数据进行寻址，并经过两片D/A转换芯片循环的输出该数据表，当两路D/A转换芯片所获得的数据序列不同时，转换所得的两路正弦信号存在相位差，相位差值仅与数据地址的偏移量有关。方案二：将参考正弦波转换为方波，以此信号为基准，延时后产生另一路同频率的方波，通过改变延时的长短来控制两个波形的相位差大小，最后通过波形变换电路将其还原为两路有相位差的正弦波输出。比较以上方案，采用2817存储量化的正弦波数据，通过单片机可以较精确的控制移相的大小，实现1相位差步进，且硬件电路较为简单，而方案二虽然也可以精确控制移相，但是相对而言硬件电路更为复杂，调试较为麻烦，因此采用方案一。二 原理分析与硬件电路图根据赛题要求的任务，该低频相位测量系统包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三个模块，由于三个模块相对独立，以下分别对其进行原理分析与电路设计。1 相位差测量模块（1）原理分析输入两路同频率的正弦波信号，其波形表达式分别为： 当两路信号的频率相同时，相角差是一个与时间无关的常数，将此两路正弦波信号经过放大整形成两路方波信号f1、f2，经过异或门输出一个脉冲序列A，与晶振产生的基准脉冲波B进行与操作得到调制后的波形C，在一定的时间范围内对B、C中脉冲的个数进行计数得、，则其相位差计算公式为采用多个周期计数取平均值的方式以提高测相精度。系统框图如图2-1-2所示：（2）原理电路 前级放大整形电路：两列正弦波信号经过一级电压跟随器以提高测量仪的输入阻抗，选用高精度、低漂移型运放TLE2074使输入阻抗达到兆欧数量级，由LM311构成的迟滞回环比较器可以有效的避免在过零点时信号的干扰和抖动所引起的电压跳变，最后通过一级单门限电压比较器输出两路TTL电平信号，经异或门得到方波的脉冲序列。该前级放大整形电路的基本原理图如下： 相位差测量电路通过理论分析，基准频率越高，记得的窄脉冲个数越多，相位差的测量也越精确，受到8254极限工作频率的影响，选取8.000MHz的晶振，由单片机控制两片8254分别对两路脉冲进行计数，将8254内含的两路计数器进行级联以提高计数位数，对32位的计数结果进行浮点运算得相位差，其原理图如图2-1-4所示： 相位极性判别电路在图2-1-4所示的相位测量电路中，只能给出相位差的大小，无法判断波形的超前或者滞后，因此将波形整形电路的两路输出方波送入D触发器中进行相位极性判别，当超前时，Q端输出高电平，反之输出低电平，极性判别的原理图如图2-1-5所示。2 数字式移相信号发生器模块（1）原理分析首先要生成两路正弦波信号，在目前的波形生成方案中，最常用的是数字式直接频率合成技术（DDS），DDS的工作原理是基于相位与幅度的对应关系，通过改变频率控制字来改变相位累加器的相位累加速度，然后在固定时钟的控制下取样，取样得到的相位值通过相幅转换得到的相位值所对应的幅度序列，通过数模转换以及低通滤波之后输出正弦波信号。基本框图如下：累加器波形存储器D/A转换滤波相位增量时钟 地址总线 正弦波输出图2-2-1 DDS工作原理 相幅转换的方式选用查表法，将正弦波的量化数据存储于两片之中，通过控制读取存储器数据的地址差,从而改变输出波形的相位差，每个周期取样360个点，相位差步进为1。锁相环倍频的基频为900Hz，输出正弦信号的频率范围为5Hz23KHz,实际频率步进值为2.5Hz。原理框图如下所示：单片机红外键盘液晶显示计数器数模转换计数器数模转换输出信号输出信号语音播报存储器存储器图2-2-2 数字式移相信号发生器系统框图（2） 原理电路选用2k的存储器2817对正弦波信号的量化数据进行存储，由晶振电路产生基准频率的方波作为锁相环的基准时钟，配合可编程计数器8254进行倍频处理，倍频之后的信号控制计数器74HC4040进行循环计数，将计数器的输出作为存储器读取的地址，改变数据读取的地址即可改变输出波形的相位。通过改变AD7524的基准电压幅值来改变输出波形的峰-峰值大小。以下给出一路波形生成电路，另一路硬件电路与此相同。图2-2-3 倍频电路图2-2-4 移相信号发生电路3 移相网络模块（略）三 软件设计与流程相位测试模块流程图如图3-1-1所示：图3-1-1 相位测试模块流程图数字移相信号产生部分流程图如图3-1-2所示：图3-1-2 数字移相信号产生流程图 四 系统测试与误差分析1 测试仪器（1）FLUKE17B多功能数字万用表（2）数字示波器TDS1002（3）BS1905工频电参数测试仪（4）CA164OP20型函数发生器/计数器2 测试方法硬件模块测试：对于数字式移相信号发生器，通过红外键盘对输出两路信号的频率、相位差以及峰-峰值进行设置。最后把产生的有相位差的两路信号分别接入相位测试电路进行相位差的测量。软件模块测试：采用自下而上的调试方式，先进行模块测试程序的调试，待全部通过之后将所有的软件程序串接起来并结合硬件电路进行整体调试。3 测试数据（1） 相位差测量仪校准由于实验室只有50Hz工频相位测试仪，所以选取了50Hz频点进行测试，由此来对相位测量仪进行校准，数据如表1所示：表1 相位差测量校准数据 设定相位差显示相位差测量相位差误差109.589.731.9180181.34179.770.9359358.76359.010.1（2）相位差与幅度的校验 根据题意要求，自选几个频点进行校验， 表2 f=20Hz时校验数据表设定相位差显示相位差误差（%）设定幅值（V）实际幅值（V）误差（%）109.831.710.30.320.253.02.961.355.55.421.47150150.290.190.30.339.103.03.041.315.55.362.61359359.020.050.30.326.253.03.020.635.55.401.85表3 f=200Hz时校验数据表设定相位差显示相位差误差（%）设定幅值（V）实际幅值（V）误差（%）109.732.70.30.313.253.03.041.305.55.421.47150150.810.540.30.3411.763.03.020.635.55.401.85359359.240.060.30.326.253.03.010.305.55.411.84表4 f=2KHz时校验数据表设定相位差显示相位差误差（%）设定幅值（V）实际幅值（V）误差（%）109.960.40.30.313.123.03.030.95.55.450.9150150.540.350.30.326.253.03.020.605.55.431.28359358.620.10.30.3003.03.051.645.55.382.06表5 f=20KHz时校验数据表设定相位差显示相位差误差（%）设定幅值（V）实际幅值（V）误差（%）109.960.40.3V0.326.253.0V3.051.645.5V5.401.85150150.290.190.30.3003.03.041.315.55.10780359358.850.040.30.313.133.03.103.305.55.323.384 误差分析（1）相位测量电路的误差分析受电子元器件性能的影响，在正弦波经过零检测电路整形成方波的过程中，当波形受到干扰时，存在着转换误差，若信号的干扰或噪声幅度为，信号振幅为，被测周期为，在正弦信号的每一个上升沿上都可能产生触发误差，其表达式为：由于干扰和噪声都是随机的，则一个周期的随机误差可按下式来合成：于是可得：采用多周期测量法，其相邻多个周期由于转换误差所产生的具有相互抵消的性质，如取十个周期，则其引入的转换误差减小为原来的1/10。实际上我们所取的周期数数值上等于频率数，则其引入的转换误差减小为原来的1/f,具有误差自适应调节的效果。由于在一定的时间内对脉冲的个数进行计数，因此将引入1误差，若最大计数误差为，总的计数值为N，则 ：闸门时间：被测频率尤其当两路信号的相位差较小时，1误差的存在,将对相位测量的精度造成很大的影响，一定时，增大闸门时间T，可以减小1误差对相位差测量的影响。考虑到显示刷新率的要求，我们取=1s 。（2）数字式移相信号发生电路的误差分析在数字式移相信号发生电路中，由于锁相环稳定度的影响，波形的微小振荡会使得输出和设定值之间存在输出偏差，同时D/A转换过程中不可避免的将存在量化误差，所以产生的波形幅值与频率将会与设定值产生误差。由于通用板本身结构的限制，以及电路中两路信号的串扰等影响，都会使得系统存在一定的误差。五 总结本系统实现了题目基本部分以及发挥部分的要求，相位测量仪的测量范围为：电压（峰-峰值）：0.2V30V；频率：2Hz65kHz；显示分辨率为0.01度，测量的绝对误差在2以内。数字式移相信号发生器扩展到5Hz23KHz，频率步进达到2.5Hz，相位差步进1,幅值在0.1V-5.5V范围内可调，人机交互接口采用双键盘（有线键盘红外遥控键盘）带语音提示的模式。由于单片机留有空闲的I/O口，可以进一步对系统的功能进行扩展。 六 参考文献1谢自美.电子线路设计实验测试（第二版）.武汉：华中理工出版社，2000.2张彦斌等.凌阳十六位单片机原理及应用. 北京：北京航天航空大学出版社，2003.3张菊鹏等.计算机硬件技术基础（第二版）.北京：清华大学出版社，2000.4王福昌.锁相技术.武汉：华中理工大学出版社，1997.AbstractThe system equips 16 bits SCM-SPCE061A as kernel part，and includes three parts：phase measuring，arbitrary waveform generator and phase-shift networkTwo microprocessors are applied as the control unit and the display part independentlyThe waveform generator employs the Digital Frequency Synthesizer and gets the different p