【毕业学位论文】(Word原稿)低频数字式相位测量仪制作报告-控制理论与控制工程

123 低频数字式相位测量仪制作报告 摘 要 本系统由低频数字相位频率测量仪，输入移相网络和数字式移相信号发生器组成。利用 片机控制模块实现了高精度的频率相位测量。数字式移相信号发生器采用直接数字频率合成（ 术，输出频率范围宽，控制精度高。由于在 统中采用了双 D/A 输出形式，信号幅度采用数字调节方式，输出信号幅度稳定。移相网络的输入采用了自动增益控制（ 实现了高达 48宽范围输入，实现信号的自动稳幅输出。此外，本系统 友好的人机界面，合理实用的功能扩展，使整个系统更利于实际使用。 一 方案设计与论证 1. 相位频率测量部分 方案一： 对输入的两路正弦信号分别进行过零比较，并对生成的两路方波信号进行异或运算，得到占空比与相位差成正比的脉冲信号。将该正弦送入单片机系统，对信号的脉宽进行测量，经计算得到输入的两路正弦信号的相位差。单片机系统直接对过零比较后的方波信号计数，得到输入信号频率。经单片机系统处理后，显示测量结果。此方案电路相对简单，容易实现，但是受到单片机工作速度的限制，精度不高。 方案二 ： 对输入的两路正弦信号 分别进行过零比较，并对生成的两路方波信号进行异或运算，得到占空比与相位差成正比的脉冲信号。 由计数结果送入单片机，单片机经过简单计算后显示测量结果。此方案可以提高系统的测量精度，单片机要实现的功能相对简单，可以实现友好的人机界 124 面。缺点是电路相对复杂，成本较高。系统框图详见 图 2 综合考虑，这里采用了方案二。 2. 移相网络部分 方案一： 直接采用题目中提供的参考电路。此电路实现简单，但对于不同幅度的输入信号，不能做到自动稳幅输出。对于小信号输入，无法满足题 目输出峰 5V 的要求，除非采用可变增益放大器，在没有单片机控制的情况下，显然带来诸多不便。 方案二： 以题目中提供的参考电路为基础，在信号输入前端加入 自动增益控制电路（ ，以适应各种幅度的信号输入。对于不同输入频率下，阻容网络的切换，采用 拟开关，避免了机械开关的接触不良等问题。并且考虑到实际情况，增加一个自定义移相频率的模式。输出采用运放跟随，增强驱动能力。虽然此电路比方案一复杂，但功能比较完善，适合实际使用。 在这里，采用方案二。该方案系统框图详见 图 2 3. 数字移相信号部分 方案一： 参考信号发生采用单片压控函数发生器。 将参考信号整形为方波信号 ， 并以此信号为基准 ， 延时产生另一个同频的方波信号 ，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号 ， 以延时的长短来决定两信号间的相位值。这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。 方便的产生频率可变的正弦波以及实现数控频率调整，但是其频率稳定度低，步长控制难以达到理想效果。 延时 时间可以利用高速晶振来精确获得，在 20，只需要 晶振即可以达到题目要求的 1 步进值 。此方案硬件电路比较 复杂。 方案二： 采用 字频率合成技术。通过 单片机相结合的方式实现对频率的控制。两套 生器通过预置双口 始地址来实现 0 360 相位差。通过双 D/A 形式实现数字调节输出峰 D/A 输出滤波采用开关电容滤波器，其中心滤波频率可由电 125 路外加时钟控制。在单片机的控制下，频率相位步进，峰值调整，频率，相位差预置等都可以很容易的实现。整个系统在纯数字下实现了设计的各项要求，各个受控量可以很容易的实现数字控制。原理框图详见 图 2 综上，采用第二种方案。该方 案原理框图详见 图 2 二 系统原理框图 经过对系统相位频率测量部分，输入移相网络和数字式移相信号部分的设计比较，在满足系统指标的基础上，力求方案达到可实施性强， 功能完善，精度高的要求。 1. 相位频率测量原理框图 预放大过零比较频率计数89输 入 A G C 电 路 分压跟随输出移相网络C D 4 0 5 2 切 换分压跟随输出自定义相移频率电阻接口图 2 126 3数字移相信号发生器原理框图 相位累加器1D / A 转 换 器开关电容滤波器开关电容滤波器 R A A 转 换 器D / A 转 换 器相位累加器2D / A 转 换 器频率控制字相位控制字开机初始化幅度控制幅度控制开关频率开关频率信号输出信号输出图 2 主要电路设计与计算 1. 单片机小系统（电路图详见附录） 系统板的设计以 8051 单片机为核心辅以 为了使系统更加灵活，在系统板上集成了一块可编程逻辑器件 器件可 127 用来扩展 I/O 口和分配各个外围器件的地址空间，并且可以方便实现各种逻辑，来满足外围器件的各种时序要求。由于其速度较高，可以完成一些高速的数据采集等工作。 单片机系统是整个系统的核心，它完成人机界面 、 系统控制 、 数据分析 、 处理 、 变换，是协调整机工 作的控制器。 成采集控制逻辑及显示控制逻辑。由单片机控制 频和测相位，处理接收的数据，显示输出。 为了保证系统的稳定可靠，系统板上加入了 门狗芯片。该芯片内部集成了 256 常适合那些要求掉电期间保护少量数据的系统。 考虑到键盘应用的灵活性，键盘接口没有采用 类专用芯片，而用一片 89片机专门负责 4 4 键盘的扫描，当发现有键按下时，它给主 送一个中断，并且送出数据，数据通过 到主 主 ，读入数据并判断键值。由于是我们自行编写程序，各个键盘功能可以随时更改。在实际应用中非常灵活。 显示器件采用的是 司出品的型号为 液晶块使用方便 ,易于编制易懂的中文分级菜单界面，人机交互性好。液晶的控制采用总线控制方式，不占用 I/O 口，通过系统板上集成的一块可编程逻辑器件 满足液晶对时序的各种要求，以实现液晶的总线模式控制。 2. 数字相位频率测量仪 测量频率与相位差，用可编程逻辑器件 现。测量时可编程逻辑器件需要与单片机通信并显示实时测量数据，故将其做成单片机的外设，挂在总线上。通过并行方式利用控制字控制其完成测量频率相位差判断相序等功能。 1前端信号变换电路 电平变换采用 74见图 3 128 图 3了满足题中不同的电平输入要求和提高输入阻抗，将信号同相放大 11 倍后（当输入信号幅度较大时，放大后的信号会出现削顶失真，但这不影响下面的信号整形） ，由运放 行过零迟滞比较得到方波，经反相器整成 平，送往 行测量。假设迟滞比较器运放 出低电平为 12V（实际小于该值），则运放输出信号幅值 满足3122 ，才能使迟滞比较器可靠翻转。按照图中参数，可得 虑到此信号是输入信号的 11倍，故输入信号的最小峰值约 足题目要求。事实上，增大 入信号峰值还可以继续降低，但这样抗干扰 能力亦会降低。 2频率测量部分 频率测量一般有测量周期和直接测量频率两种方法，本题将两种方法结合使用，以达到较高的测量精度。 由于题目要求的是低频，故只将频率范围扩展到105了提高频率测量精度，我们将整个频段分为10 55 105围时直接测量频率，取 5分界点的理论依据为用周期测量法测量时，频率越高误差越大，相反，直接频率法测量时，频率越低误差越大。基准时钟脉冲为 20 5，周 期测量法误差为 %001020 105 63 直接频率法的误差为 %00105 1 3 129 因此，以 5分界点进行频率测量，可使相对测量误差最大为%可达到所要求精度。 用周期测量法时，在 生成一个 24位的计数器，理论上可以测量到 020 24 6 0 满足题目要求。原理如 图 3 0 M H z 基 准 时 钟数据输出计数器接测量时，由 生 1s 钟的门控信号，此时仍用同一内部计数器，只是计数器的 由基准时钟改接为被测信号，把计数器的接到单片机的 1s 门控信号，根据理论推算可以测量的最大频率为 远超出了 35足设计要求。原理如图 3测信号脉冲数据输出计数器s 门 控 信 号 图 3相位差测量部分 题 目要求的相位读数为 0量的绝对误差 2，故采取周期测法测量相位差。这样在 35的测量精度为 130 020360 36 可以满足要求。当单片机测量相位差控制字有效时， 部时钟的 到 20接到原始信号与侧移信号的逻辑输出端，由于侧移信号由原始信号获得，所以频率是相等的，两个上升沿之间不可能超过一个信号周期，因此，可以采用下面的方法进行测量：当原始信号上 升沿到达时， 高，开始记数，直到侧移信号的上升沿到达，将 0，锁定，计数器停止记数，单片机通过控制字将数据读回，计算后显示出相位差。原理如 图 3 0 M H z 基 准 时 钟 脉 冲数据输出计数器本系统中， 作为单片机的一个外设来控制的，通过写入不同的控制字， 现不同的功能。 内部只做了一个计数器，周期，频率及相位差数据都由同一个计数端提供，在完 成不同任务时，计数器的时钟端 样，就可以节省许多空间，使用一片 成该部分的制作。 3. 移相网络 1 路 考虑到实际输入信号变化很大，在移相网络前端加入了自动增益控制（ 路。在 48输入范围内，均能达到题目的输出电压要求，而不需要后级电路改变增益。我们采用的是由 拟乘法器构成的 3 由德州仪器 生产的一款 131 高性能模拟四象限乘法器。其输入输出函数关系为： 图 3 )12()21()21( o u 为运放增益，可认为是无穷大。 0 按照图中连接形式，则其函数关系为： 1210 接的是输入信号峰值检波放大 后的的电平 ， 输入信号，故 出电压的峰值约为 10/峰值检波后的 容网络其时间常数约 5 秒，这是 1 相移电路及分析 题目中所给的移相电路的转移函数为： 2 )(1 2)(1 S R 其中1为图中可变电阻 分压比 ) 132 相移函数为： 2)(1)12( C R R 当 d=1，正向相移最大，当 d=0 时，反向相移最大。 1)(1 )12( 2 （ d=1） 1)(1 )12( 2 （ d=0） 最后结果为 * 为验证理论分析的正确与否，将此电路在 001 中进行仿真测试，所得仿真结果与理论值一致。相关仿真结果如下： 图 3-6 d=0 时的仿真结果。（幅度大的是原信号，幅度小的是移相后的信号） 可以清晰地看到移项后的信号相位落后约 45。 133 图 3-7 d=1 时的仿真结果。（幅度大的是原信号，幅度小的是移相后的信号） 可以清晰地看到移项后的信号相位超前约 45。 取 当 f=100， 1K， 10， R 分别为 对应不同频率，需要切换相应的电阻网络。切换电阻网络采用拟开关实现。通过对拨码开关置数，实现在不同频率下的相移。由于题目要求的只有三个输入频率，但实际中要求的移相频率很多，因此我们利用 第四个模拟开关，设计了自定义相移频率的模式。即可以根据公式 *得到相应的 R 值（ C 值已固定，约 测值）接入板上预留的接口，即可在使用者需要的频率点上实现 45的相移，具有一定的实用性。这里 C 为独石电容；移相网络中的各个电阻值由精密可调电阻得到。 原信号与移相网络信均经过可调电阻分压后跟随输出，具有一定的驱动能力。移相网络见图 3 图 3 134 4. 字 移相信号发生器 数字 相移信号产生模块的核心是 序初始化后，由单片机向 入所选择的波形表，然后向 入预置的频率与相位差，输出控制字后， 始产生一前一后两个地址序列，这两个地址分别作为双口 进行读操作，读出 的数据分别直接送至滤波后输出一路原始波形，一路侧移波形。 这里没有采用 存储器，而是使用了一片 口为存储器，这样可以简化电路，同时也可以扩展输出不同的波形。但是需要每次开机都由单片机对其数据初始化，要解决总线冲突等问题，实现起来比较复杂。 1 相位累加器是 核心，它是由一个 N 位字长的二进制加法器和一个固定时钟脉冲取样的 N 位相位寄存器组成的。相位寄存器的输出与加法器的一个输入相连，另一输入端是外部输入的频率控制 字 K。这样，在每个时钟脉冲到达时，相位寄存器采样上个时钟周期内相位寄存器的值与频率控制字 K 之和，并作为这一时钟周期的输 出。频率控制字K 决定了相应的相位增量，相位累加器则不断的对该相位增量进行线性累加，当相位累加器加满时就会产生一次溢出，一个周期性的扫描动作就是 成信号的一个周期。所以，输出信号的数学表达式为： （ 晶振频率） 根据题目要求和扩展要求：频率范围是 1035N=23 位，采用 12，频率步进间隔为 012 236 论上在 35产 生的波形在一个周期内可以有 3421035 1012 36 个点（实际采用 256 个点），经过开关电容滤波器滤波后，输出波形失真很小。原理见 图 3 135 2 3 位 相 位 累 加 器2 3 位 加 法器1 7 位 频 率 控 制 字 输出序列2 3 位 相 位寄存器f 相位差控制部分 根据题目要求，需要 3590 度的移相，相位差的步进值为 1 ，并且要求可预置。所以在 部又做了一个相位累加器，将一个输入端接到产生原始信号的相位累加器的输出端，另一个输入端连接到预置数据 M，这样，原始信号输出的地址从 00h 开始，而在同一时间移相信号的输出地址则从 始，这样就完成了 0359 的数字移相。这里最小移相步进值为 。 原理见 图 3 1 位 相 位 累 加 器1 1 位 加 法器1 1 位 移 相 控 制 字 输出序列1 1 位 相 位寄存器f 数控幅度部分 幅度控制是通过双路， 8 位数字模拟转换器 现。利用 输出端的电压作为 单片机控制输入到 数字量，从而实现了步进 值的幅度调整。经电平平移后输出。其原理框图如 图 3 136 / 滤波部分 出的频率范围相对很宽，用一般模拟带通滤波器无论其中心频率 何值，均无法实现整个频带内实现滤波，一个经常使用的方法是分段滤波，但这样电路复杂，调试困难。开关电容滤波器克服了这个问题，用时钟频率控制通带中心频率，通带波动小，阻带衰减大，这里采用了集成电路 现了整个通频带的滤波。 其时钟信号没有采用传统的锁相环倍频，而是利用 出地址信号的 低二位得到128 倍频信号，经 现的 5 进 4 出吞脉冲功能，得到约 100 倍通带频率的时钟脉冲信号。利用 滤波器 A 和滤波器 B，分别对由 成的两路进行滤波，由于两电路特性一致，由滤波所产生的相位差互相抵消，对设定的相位没有影响。考虑到实际元器件的偏差，最后测试结果仍能达到 的移相精度。 参考 用 图 3 图 3 137 滤波器 波器 B 类似）： 1000 13（ f= 23里取 2=0K. 在实际制作中，测量发现开关电容滤波器的输出信号是断续的，虽然频谱有所改善，但相比 接产生的信号而言，从示波器上看，反而较差。 同时由于 信号取样点较多，实际产生的信号失真很小，为此增加一个直通开关，即在 成信号后加一小电容平滑后直接输出。具体选择何种方式输出，视实际需要切换。 四 系统软件工程流程图 本题单片机工作量较大，整个程序用 写。 采取自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模