【毕业学位论文】(Word原稿)低频数字式相位测量仪-控制理论与控制工程

74 低频数字式相位测量仪 摘 要 本 低频数字式相位 测量 仪 由 数字式移相信号发生器、模拟移相网络、 数字 相位测量 部分 以及人机接口等模块组成。 数字式移相信号发生器 采用双路 时统 术 ， 基于 现 。相位测量 部分 采用基于相位 时间变换的等精度测量技术，由单片机控制 本系统硬件设计应用了 术 ，软件设计 采用基于 模块化 设计技术 ，总体 上 较好地完成了 题目基本 和发挥部分的要求。 并增加了扫频、扫相、扫幅及 相位 打印功能， 扩展了 模拟移相器移相范围及相位显示 形式 。 关键词： 时统 等精度 数字 测 相 75 一 证与选择 根据题目要求 本系统 可 分解为 数字式移相信号发生器 、 模拟移相网络及 相位测量 部分 等 三个 模块 。 模拟移相网络已由题目给出， 以下 对 另 两部分 实现方案进行 论证。 （ 一 ） 数字式移相信号发生器方案论证 方案一： 用 率合成 技术 产生正弦 波 信号， 将 其 通过 换 到频域， 再 乘以 一定的 旋转因子 ，即相当于时域的时延（ 移相）。 不同的旋转因子对应不同的移相， 但 对不同频率的输入信号进行移相时， 需要调整滤波器参数或改变滤波器采样率 。 前者运算量较大，后者需要用到 术，硬件繁琐。 方案二： 应 用 单片机产生移相信号 。 将正弦波信号数字化， 形成 数据表存入 非易失性存储 芯片中， 单片机 交叉读出 该数据表中的数据 ，形成两路波形信号 ，送往 两 路 D/A， 得到两路 具有一定 相位差的正弦波 。 这种处理方式的实质是将数据地址的偏移量映射为信号间的相位差 。 但受单片机速度限制，这种方法难以产生较高频率的信号。 方案三： 采用 生移相信号 。 1、 率合成 率合成 的 基本原理是使用稳定的参考时钟源 作为 抽样 时钟 ， 通过地址 累加 来 寻址 波形查找表得到 波形的幅度抽样 值，然后 将抽样值 经 D/出平滑 的 波形 。图 出了 工作原理框图 。 相位累加器波形查找表D A 时 钟K 频 率 控 制 字f 0图 图 相位累加器（ N 为位数）以频率控制字 K 为间隔对地址进行累 76 加， 将累加 结果的最大有效位数 找表的地址 （ ， 通过 D/将 所查地址单元的波形 数据转化为模拟量，再 由 低通滤波器 滤 出其基波成分 。 其 输出频率为 K （ 1 式 中： 相位累加器时钟频率。通过改变 K 即可改变输出 波形 的频率。 2、 数字 移相的 实现 设计两路 时统 相位 加法 器：一路以频率控制字 K 累加 ， 另 一路以 前一路的累加值叠加一相差 控制字 P。 两路加 法 器的 模值均取 M。 通过 相 加后的两路 地址 对预先写 入波形数据 的两块 行寻址 读数 ，即能 得到 同频，带移相信息的 两路 波形信号。 3、 移相信号幅度控 制 的实现 由 级 输出的两路波形 分别 通过 两级 D/A 实现波形产生和 幅度控制 。 由单片机控制第一级 D/A 的输出，作为第二级乘法型 D/A 的参考， 从而 实现移相信号幅度的数控。 综上所述， 双路 时统 字移相 方法对输出信号的频率、相位和幅度都数控调节， 因此 ，本设计选用 案设计数字式移相信号发生器。 （ 二 ） 相位测量 部分 方案论证 方案一：利用单片机实现测量相位差 ，实现框图如图 示。 整 形 电 路整 形 电 路信 号 1信 号 2方 波 1方 波 2异 或 门D F 机测 频测 脉 宽键 盘显 示图 利用单片机实现测量相位差原理图 直接利用单片机的内部时钟 以 异或门 的输出为闸门 进行计数 。理论 上晶振为 12M 时 片机的 最窄脉宽为 1差即为 1要实现1 的步进时，计数脉宽最少为 360正弦波计，最高的频率为610*3601 显然 ，此种方法硬件原理上难以保证测量精度，需在软件上采用 技术来提高精度，增加了软件量。 77 方案二：采用 相 差 电压 测量 法 。 即 通过数 字 鉴相器， 如 异或门 鉴相电路 输出 相差 脉冲，经过低通滤波 器 滤 出 其中的直流成分（其中含有相位信息）， 设计原理框图如图 示。 数 字鉴 相 器异 或 门滤 波 器 单 片 机信 号 输 入 1信 号 输 入 2显 示A / 数字鉴相、相位电压法原理框图 此方案为数字方法与模拟方法相结合，数字鉴相器的设计解决了模拟鉴相器的频带限制，但 精度问题依然存在 。 方案三：采用相 差 时间 测量 法 。 设计原理框图如图 示。 数 字鉴 相 器周 期 / 脉 冲计 数 / 锁 存单 片 机信 号 输 入 输 入 图 字鉴相、相位 时间法原理框图 两路信号 A、 B 的 相位差通过测量鉴相输出脉冲的时间宽度得到 。 再通过 鉴相器的两输入信号的 上升沿 控制计数器的 数据 锁存 、 清零 测出相差 脉冲宽度 。数字鉴相波形图如图 示。 输 入 信 号 信 号 字鉴相波形图 输入信号 A 的上升沿先锁存上次周期计数值 然后使计数器清零并重新启动计数；输入信号 B 的上升沿锁存脉宽计数值则相位差的计算公式 为： 360 (1从（ 1可以看出， 相差的精度只与 关，而与被测信号的频率和计数时标 频率的精度 无关，从而消除了这两者对测量精度的影响。 只要选取适当 的计数 时标使 效位数不低于 4位 ，则相差的精度能达到 。 78 此方案的相位 测量精度高 且 便于控制。因此选用方案三。 二 论计算 系统各部分组成原理如图 中数字式移相信号发生器以 用时统双路 术，输出同频、具有设定相位差及幅度的两路信号。 模拟移相网络采用题目给定的电路形式，共有 3 组参数，采用手动方式切换 。 相位测量部分通过对输入信号整形、鉴相、测量及处理显示进行相位及频率测量。 双 T 网 络 1双 T 网 络 2双 T 网 络 3网络选择A 1B 1F P G A 数字 移 相器 逻 辑波 形 存储 器波形发生器低通滤波器单片机1A 2B 2前 端调 理电 路C P L 测 量逻 辑C P L D 相 位 测 量 部 分 输 入模 拟 移 相 部 分数 字 移 相 部 分D / 统总体框图 （一）数字式移相信号发生器理论分析与计算 1、 数字移相 信号发生 器的构成 数字移相器的构成框图如图 示。单片机向 差 控制字 P。频率控制字 K 决定两路 出信号频率的大小。相位累加器 A 的值经锁存后作为波形存储器 A 的寻址地址。相位加法器在 相位累加器 差 控制字 P，得到波形存储器 路址地址的差 为了提高速度，采用 2 级流水线技术。相位加法器锁存相位累加器 比相位累加器 冲。相位累加器 锁存相位累加器 A 前一时刻的值，使相位累加器 A、相位加法器达到设计上的同步。 79 相 位 增量 寄 存器 ( P I R )相 位累 加器 寄 存器波 形存 储器 A 变换 器A 1低 通滤 波器移 相 锁存 器相 位加 法 器波 形存 储器 A 变换 器B 1低 通滤 波器 A 变换 器A 2D / A 变换 器B 2幅 度 控 制幅 度 控 制波 形 产 生幅 度 控 制 字 控 制 字 字移相器的构成框图 输出信号由第二级 D/A 输出，其幅值由第一级 D/A 控制在 之间。 2、 数字移相 信号发生 器 参数计算 设 P 为两路信号 A、 B 之间地址差即相差控制字， M 为波形存储深度（为方便设定相位累加器的模值与波形存储深度相同，这里取 M=36000），则所设相差 G 为： 2 令 P=1，得移相设定精度为 式（ 2知，相差控制字 P 为： 100（ 2 设36 n 为前置分频器分频比（ 50）， K 为频率控制字，则所设频率 = 0/10366 20 K （ （ 2 令 K=1，得频率设定精度为 0 由式（ 2知，频率控制字 K 为： 2 80 设1（ 5V），2 re f ， N 为 D/8位）， 幅度控制字，则 输出信号电压幅度 12m a x 12 re re )(5152 5 5 A (2令 1，得幅度设定精度为 )(511m V 由式（ 2知，幅度控制字 ： N (2 如前所述， 钟频率20题目要求输出信号频率范围 2020此可知， 出信号第一镜象频率最低为=700此低通滤波器截止频率 K z n 70020 （ 2 （二）模拟移相网络理论分析与计算 图 拟移相网络 1、 模拟移相网络的传递函数 相位超前网络1 111 1 ， )(90 111 (2相位滞后网络22 1 1， )( 222 (2设图 R 的比例系数为 （ 0 1），根据叠加定理， 得出网络的传递函数为 )( 1)1(2211222111122211 （ 2 2、 模 拟移相网络的参数计算 题目要求连续相移范围：（ 45 45），本系统按（ 60 60 ）设计，即由式（ 2 2 81 )(90 111 60 ， )( 222 60 得出 : 3111 , 322 此时的传递函数为 : )( ()331j(3112）（ （ 2 增益随 的变化关系为： |)(| H 13321 2 (2 相移随 的变化关系为： )( )12(3 （ 2 通过 拟移相器的幅度及相位特性曲线如图 示。 图 递函数曲线幅相相应图 由图 见，相位在（ 60 60 ）内连续单调可调；增益随 的变化作抛物线变化 ，最小增益 按移相（ 60 60 ）范围，确定 2211 、 ，如表 表 拟移相网络各频点元件参数表 频率 参数 1R （ ） 1C（ 2R （ ） 2C（ 10010 1 110 010 、 移相网络的输入阻抗 本设计中将三个移相网络并联，其等效输入阻抗模型如图 82 图 移相网络等效输入阻抗模型 首先计算网络的输入导纳，转化到阻抗为： f=100| 1 03 f=1 | 2 02 f=10| 3 0 由于移相网络的 输入阻抗很低，这就要求前级信号的输出阻抗的要小于其中的最小值。 （三）相位测量部分分析与计算 (1)相位测量部分理论分析 图 字鉴相原理图 数字鉴相原理图如图 示，输入信号 A 的上升沿先锁存上次周期计数值 然后使计数器清零并重新启动计数；输入信号 B 的上升沿锁存相差脉宽计数值 (2)相位测量部分参数计算 利用测周法测频，率测量公式为： （ 2 相差测量公式为： 360 (2从式（ 2以看出，相差的精度只与 关，而与被测信号的频率和测相时 钟 频率的精度无关，从而消除了这两者对测量精度的 影响，因此 得出相位测量精度为： 输入信号 A 输入信号 B 83 m 36 01 (2 从式（ 2知， 只要 360 就能达到题目要求的相位测量绝对误差 2，即 M 1。因此，由式（ 2出测相时钟最低频率 m a xm oc 20360 2 本设计选测相时钟6 三 （一）数字式移相信号发生器的设计 与实现 1、 数字式移相信号发生器的 逻辑设计 移相器逻辑采用一片 司的 有 5万个可编程逻辑门。图 底层逻辑用 言设计。 图 双路时统 层逻辑图 图 真波形图 如图 中，两路信号以频率控制字 5.进寻址，它们的地址差为相差控制字 5.且达到了严格的时钟同步。仿真结果符合设计要求。 图 真波形如图 2、 程控增益 电路 设计 利用乘法器型 D/ 器实现增益程控。 84 乘法器型 D/A 转换器 的内部结构一般是电阻 R 2R 梯形网络，并集成有多路模拟开关。因此可以反向利用 D/A 转换器的内部电阻网络实现程控增益控制。本设计 中 D/A 芯片 选用 528， 图 出了实现原理图 。 图 控增益电路 3、 低通滤波器的设计 如图 片外围仅接两个电阻 1 2其低通滤波输出的截止频率为： 2121122 (3其中 :1R = 2R =50K， 1C = 2C =1000取 1 22K，则2 =80合式（ 2求，可以滤掉镜象谐波。 1 2 3 4i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 1 6- D e c - 2 0 03 S he e t o f F i l e : F : 张 报告中的 p r o t e d r a w n B y: 0 0 0 1 R F 2 O P O P O F 42V i 57 0 0 0 p F 0 0 0 p 通滤波接法图 （ 二 ） 移相网络 的设计与实现 根据题目要求，移相网络输入信号的频率有 3个值，需要搭接 3个不同的移相网络，由拨码开关控制，继电器进行切换。网络构成见图 中双 T 网络的具体电路形式如图 2算放大器采用 件参数值按表 2取。 85 1 2 3 4i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 1 6- D e c - 2 0 03 S he e t o f F i l e : F : 张 报告中的 p r o t e d r a w n B y:12348765B 1 01S W D I P - 4拨码开关V C 031 0 011 0 021 0 网络 1继电器双 T 网络 2双 T 网络 3信号输入信号输出 0 1T Q 2- 50 2T Q 2- 50 3T Q 2- 5图 络构成图 （ 三 ）相位测量 部分 的设计与实现 本部分包括前端调理电路及数字鉴相器两部分。 前端调理电路由前置放大器和迟滞过零比较器组成。图 出其中一路电路原理图。 1 2 3 4i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 1 5- D e c - 2 0 03 S he e t o f F i l e : F : z w 压缩 图片 M y D e s i d r a w n B y:+ 12- 1 2 4v+7 35713486迟滞比较00入信号调理电路图 数字鉴相器的逻辑设计如图 示。其中 a、 b 为鉴相器的两路输入信号， 别将周期计数值 t20.脉宽计数值 p20.回单片机，进行处理得到相位差。 图 （ 四 ）线性稳压电源 标准计数时钟 锁存 使能信号 周期 /相差脉冲计数器 周期锁存器 相差锁存器 86 图 源设计原理图 电源是整机能源的提供者，为了保证电源部分不对性能指标造成影响，采用性能优良的集成稳压电路、大小功率电路分开供电。具体电路如图 （ 五 ） 单片机小系统 单片机 小系统 以 片机为核心， 程序 存储 器 容量 20K。 数字移相器和数字测相部分分别由两个独立的单片机小系统支持， 都 采用128*64）点阵液晶作为显示模块，它内藏 晶显示控制器 ； 选用 键盘管理器件 ， 有 （ 六 ）打印 接口电路 存储的相差及频率信息通过其接口送给打印机，这里使用的打印机接口标准为 用了 10 根信号及控制线与 统相接，如图 示。 1 2 3 4 i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 1 0- D e c - 2 0 03 S he e t o f F i l e : F : 张 R E P .d r a w n B y:C L K E 1Q 53Q 63Q 9C L 25Q 157Q 167Q 19U 1 067 4 H C 3 7 7L E 4 2 15 3 16 4 17 5 18 6 19 7 20 8 21 9 22 10 23 11 24 12 25 13P 10 1 P R I N . 1图 印机接口原理图 四 软件 设计 分为 数字式移相信号发生器 和相位测量 部分 两个独立部分。 （一） 数字式移相信号发生器 控制软件 ： 主要完成数字式移相信号发生器相差、频率、幅度的设置等功能。设 87 定值均通过液晶显示屏显示，全页面化操作。数字移相软件流程如图 4键盘分布 ： . 确 定退 格 取 消 退 出图 键盘分布图 开 始系 统 初 始 化设置频率系 统 功 能 键 判 断F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 F 6 。F 9设置相差设置A 路幅度设置B 路幅度频率步进频率递减相差步进相差递减F 7扫频输出图 件操作框图 （二） 相位测量 部分 软件： 主要完成从 数据并处理、显示、打印等功能。软件将相差测量值进行滑窗平均，以得到 显示分辨力。相位测量软件流程如图 4 按键操作： 差显示 模式切换： 0o0 2 80o， - 印 流程 图 如图 88 开 始从 C P L D 读 数 据均 值 滤 波数 据 处 理 送 显是 否 打 印初 始 化Y E 打 印 数 据图 位测量流程图 五 试、 测试 及结果 分析 （一） 系统调试 1、 调试仪器 电脑 1 台 仿真器 1 台 2、 系统 调试方案 使用 仿真器，调试键盘输入，液晶显示，扩展 I/O 口的读写操作。各软件模块分别调试，编写短小的调试子程序，观察读到（接收）数据与写出（发送）数据是否与理论值相符。 （ 二 ） 系统 测试 及结果分析 1、 测试条件 环境温度： 25 电源电压 220V 市电（加到自制线性稳压电源上）。 2、 测试仪器 信号发生器 63120A 信号发生器 15 数字示波器 60 数字万用表 3、 测试方案 、数据及结果分析 89 （ 1） 移相网络 测试 a、 移相范围的测试 测试方法： 移相网络 输入端分别接 100110信号，改变图 滑动变阻器 示波器测量两路输出信号的相差。 表 相网络的移相范围测试数据表 测量次数 信号频率 示波器 读出时间差 对应相差（度） 1 10044452 2 10038850 3 15054 4 12746 5 105255 6 108165 结果 分析： 移相网络 两路输出信号的相差范围在 4545 内变化， 符合题目要求。 b、 输出信号 峰峰 值测试 测试方法： 移相网络 输入分别接 100110信号，滑动变阻器 A、 B 的阻值，用示波器测量两路输出信号的 峰峰 值。 表 相网络输出信号峰值测试数据表 频率 测试值 围 围 果 分析： 峰峰值范围 为 5V， 符合 题目 要求。 (2)数字式移相信号发生器测试 a、预置频率功能测试 测试方法： 用键盘输入预置频率，用 号发生器 的测频功能分别 测量 两路输出信号的频率。 表 数字式移相信号发生器频率步进测试数据表 测量次数 1 2 3 4 5 6 预置频率（ 20 20K A 路 输出频率（ 路 输出频率（ 果 分析 ： 数字式移相信号发生器 具有频率预置、 能实现 在 2020 90 频率范围内 以 20率步进 的 功能 ， 满足设计要求。 b、预置峰峰值功能测试 测试方法： 用键盘输入预置 峰峰值 ，用示波器分别测量两路输出信号的 峰峰值 。 表 峰值 控制测试表 测量次数 A 输入 峰峰值 （ V） A 输出 峰峰值 （ V） 误差 （ V） B 输入 峰峰值 （ V） B 输出 峰峰值 （ V） 误差 (V) 1 果分析： 数字式移相信号发生器 具有峰峰值预置功能，符合题目要求。 c、 预置相差功能测试 测试方法：预置不同峰值，不同频率的两路移相信号，用示波器观测其输出的相差。 表 输出相差的测试数据表 测量次数 预置 V） 预置 B 峰值 （ V） 预置频率 预置相差（度） 示波器显示时间差 对应计算相差（度） 相差 误差（度） 1 0 0 0 0 120 16 6 0 359 00 0 0 00 120 00 359 1059 000 0 0 000 120 330 000 + 3400 000 + 0 122 1 000 359 12 0000 0 0 3 0000 120 6720 4 0000 240 1335 0000 - 1336 0000 0 0 7 0000 359 58 0000 240 0 240 果分析 ： 数字式移相信号发生器 具有 0 359 相差 预置 及 1 步进功能。误差在允许范围内， 符合题目要求。 （ 3） 相位测量部分的测试： 91 a、 输入阻抗的测量 图 抗测试电路图 测试方法：建立输入阻抗测试网络，电路连接如图 示。在相位测量部分的输入端串联电阻 1M，前端加电压源 U ，用示 波器测量 相位测量仪输入端 的电压 则存在关系： 1 （ 5 得出： 1R （ 5 即求出输入阻抗。 结果 分析 ： 在 输入 不同频率信号及正负压直流信号的测试中，输入阻抗在1符合题目要求。 b、 频率测量功能的测试 测试方法： 用信号源产生频率为 2020度为 时加入 相位测量部分 两输入端，观察 相位测量部分 的频率显示范围。