低频数字相位测量仪

低频数字式相位测量仪低频数字式相位测量仪 一 系统方案论证与选择一 系统方案论证与选择 系统整体框图如下 A 出A 进 B 出B 进 预置 显示 移相输入A 输入 B 输出 1 相位测量仪方案论证与选择 方案一 将两路输入的正弦信号 A 和 B 分别通过电压比较器整形为方波 然后送入数字鉴相器 二输入异或门 鉴相 再经过 RC 电路积分后进行 A D 转 换 根据相位差电平成正比的关系 由单片机计算得到相位差值 方案二 将两路信号同上整形成方波 仍然采用异或门鉴相 用两个高速 计速器分别记录信号周期和超前或滞后时间 从而计算得出相位差 将两路信 号分别经过过零比较器得两路方波 INA INB 用一个上升沿触发的 D 触发器 判断 INA 是超前还是滞后 INB 方案三 一方面将这两路信号分别经过过零比较器 后输入鉴相器得 PDout 另一方面 将两路信号分别经过迟滞比较器得两路方波 INA INB 用 一个上升沿触发的 D 触发器判断 INA 是超前还是滞后 INB 如果直接采用过零比较器 那么电压比较器在零点电位附近就有可能振 荡 因为输入电压位于电压比较器的线性区 这样得到的 INA 在跳变沿会有 很多抖动 迟滞比较器可以很好的去抖动 然而从迟滞比较器获得的 INA 与原 输入正弦信号存在相位差 由于本系统重在相位差测量 对相位要求比较高 综合考虑我们采用过零比较器以及性能较好的芯片 LM393 以得到比较精确的方 波 相位测量框图如下 数字移相 信号发生器 触摸屏 频率测 量 移相网络 整形电路 相位测 量 ARM 2 移相网络 本设计的核心问题是信号的模拟移相程控问题 其中包括波形相位以及波 形幅度的程控 在设计过程中 我们首先考虑了赛题中提供的方案 移相网络通过一个超前移相和一个滞后移相网络构成 通过连个电压跟随 器后产生移相信号 通过改变移相电路电压跟随器输出的电位器 可实现相位 差连续移相范围 45 45 其网络框图如下 3 正弦波信号发生器方案 方案一 采用模拟分立元件或单片机压控函数发生器完成设计 通过调整 外部元件可以改变输出频率 产生正弦波 但是采用模拟器件分散性大 产生 的频率稳定性较差 精度低 抗干扰能力差 成本也比较高 方案二 采用数字合成 以单片机为控制核心直接输出正弦波 这样的正 弦波频率稳定性好 精度高 故采用方案二 二 硬件单元电路设计二 硬件单元电路设计 1 加法电路 由单片机产生的正弦波各点的值均为正值 而根据要求 我们需要得到 正负值对称的正弦波 采用加法电路 求和电路 可以达到这点 电压跟随 电压跟随 过零比较器 过零比较器 D 触发器 异或鉴相器 超前 滞后 单片机 高通电路 低通电路 电位器 射极跟随 放大器 射极跟随 射极跟随 Ui U02 U01 U 2i U 1 i 单片机 本系统采用单片机制作数字移相信号发生器 单片机输出的信号需经过 一个低通滤波电路才可获得标准的正弦波 在此 我们采用最简单的无源 RC 低通滤波器 2 相位测量仪 相位测量仪主要由波形整形电路 数字相位测量两部分组成 其中波 形整形电路将输入的正弦信号变为同频同相的方波信号 送入单片机中 同时 利用单片机完成对信号的频率测量 1 过零比较器 2 异或鉴相器 超前 滞后判断电路 将单片机输出地两路同频异相信号 A B 分别经过过零比较器 得到的方 波经过异或鉴相器得 PDout 输入单片机 从而测得频率 相位差 设经过整形后的两路方波信号分别为 INA INB 鉴相器的输出信号为 PDout 用一个上升沿触发的 D 触发器判断 INA 是超前还是滞后 INB INA 接 D 触发器的时钟 INB 接 D 触发器的数据端 当 INA 正跳变时 若 INB 为 1 表明 INA 落后于 INB 若 INB 为 0 表明 INA 超前于 INB 该 D 触发器的 Q 端就表明两路信号的超前 滞后关系 将整流后的信号 INA 与鉴相器输出信号 PDout 输入单片机中 用单片机内部时钟对 INA 的一个周期进行计数 N 同时 对 PDout 一个周期内的高电平进行计数 n 由此得两路波形的相位差为 O N n 360 3 移相网络 本设计直接采用题目中提供的意向网络方案 但为使不同的移相范围很好 的集中 当输入频率不同是 切换移相网络中的元件参数 以下进行参数的粗 略计算 设输入电压为 高通电路电压输出为 U 低通电路电压输出为 0 U 2i U 放大倍数为 A 1 iu 对高通电路有 A 式中 w 为输入信号的角频率 RC 为回路 u o 2i U U R C R jw 1 CRjw 1 1 1 时间常数 令 w 则 即相角 90 arctan L RC 1 L L LL J A f f 1 f f j jf f 1 1 jw w 1 1 u 即频率越低高通电路发生的相移越大 当 f 时 角度相差 45 如果 f45 所以 f f 是计算参数的界限点 L 对低通电路有 A 令 w 则 即相 u o 1 i U U R C C jw 1 jw 1 RCjw1 1 H RC 1 HH u f f j1 1 jw w 1 1 A 角 arctan 即频率越高低通电路发生的相移越大 当 f 时 角度相差 H f f H f 45 如果 f f 45 所以 f f是计算参数的界限点 设输入信号频率 HH 为 100Hz 则在高通网络中 RC 1590 在低通网络中则大于该值 14 3 200 2 RC 1590 是参数确定的依据 如果 C 104 则 R 15 9K 为使相移范围大于 45 45 则高通电路中是电阻小于 15 9K 在低通电路中大于 15 9K 为了移相 有一定的增加 选择 20K 12K 的电阻 当输入 1K 10K 的信号时 保持电阻 不变 将电容值缩小为原来的十分之一 103 与百分之一 102 即可 这样 三种信号的移相范围相同 在 60 60 左右 三 软件部分设计三 软件部分设计 1 本系统的幅值调节 频率调节 相位差预置均通过软件实现 2 数字移相信号发生器 初始化 相位测试两路正弦波 相位 幅值 频率 差调调整 调整 整 测相位差测频率 四 调试及测试结果分析四 调试及测试结果分析 1 相位测试 1 测试方法 捕获 PWM 开始 功能选择 捕获上升沿 利用移相信号发生器产生有一定相位差的两列同频信号接在相位测量仪 的输入端 经相位测量电路得到相位差代表方波 再将其输入单片机 与单片 机输出的两路信号的相位差作比较 求出误差 2 测试结果 标准值60 0 120 0 200 0 300 0 测量值59 58 0 118 35 0 199 01 0 300 42 0 误差0 42 0 1 65 0 0 99 0 0 42 0 2 频率测量 用单片机或函数信号发生器产生 20Hz 20KHz 的信号 经过相位测量电路 后输入单片机 测得其频率 将其与单片机或函数信号发生器输出的原信号酒 的频率进行比较 求出误差 标准值10Hz20Hz100Hz1KHz5KHz10KHz15KHz 测量值10Hz20Hz100Hz1KHz5KHz10 01KHz15 02KHz 误差000000 01KHz0 02KHz 3 移相网络测试 用函数信号发生器分别产生 100Hz 1KHz 10KHz 正弦信号 用示波器观 察移相前后的相位差 信号输入频率移相范围电压可调范围 100Hz 1KHz 10KHz 五 总结五 总结 本系统设计主要有三大块组成 相位测量仪 移相网络 数字移相信号 发生器 由单片机软件实现的数字信号发生器或函数信号发生器发出两路波形 供相位测量仪输入 经过相位测量仪的整形电路 异或鉴相器 再将波形送入 单片机中进行测量显示 整个系统突显在波形的整形电路以及软件的实现方面 整形电路整得的方波的精确度至关重要 严重影响频率测量