高精度相位差计设计

高精度相位差计的设计1高精度相位差计的设计高精度相位差计的设计高精度相位差计的设计高精度相位差计的设计摘要摘要摘要摘要本文介绍的高精度相位差计由单片机控制模块、放大整形模块部分、数码显示模块、分频模块、简单的数字逻辑控制门等组成。采用了锁相倍频技术，实现了相位差测量高精度性达01度。关键词相位差锁相倍频整形高精度一一一一、方案论证和比较方案论证和比较方案论证和比较方案论证和比较1、单片机最小系统选择单片机最小系统选择单片机最小系统选择单片机最小系统选择方案一方案一方案一方案一以8031为核心，外扩32K8的EPROM27526作为程序存储器，831内部已集成了128个字节的RAM单元，而系统运行中需要存放的中间变量较少，因而8031的片内RAM已能满足存放要求，可不必再扩充外部RAM。MCS51系列芯片在目前来说还要算是性价比最高的单片机，使用51至少有以下好处成本低，技术有保障，开发周期短，供货有保障。方案二方案二方案二方案二AT89C2051单片机是单片机家族发展中的佼佼者，是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，AT89C2051与MCS51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多MCS51系列产品没有的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。AT89S51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给拥护。系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。经比较，方案二能更好的满足题目的要求，并且实现起来简单，决定选用方案二2、同频不同相的同频不同相的同频不同相的同频不同相的测试波形的产生测试波形的产生测试波形的产生测试波形的产生方案一方案一方案一方案一利用实验室的两台频率发生器来调得同频率和不同相位的两列波形，但是效果不是我们想象的那么理想，毕竟是模拟的函数发生器，要把两台仪器调成一模一样的频率很难做到，频率总有些偏差。方案二方案二方案二方案二利用RC延时电路来产生两列同频不同相的波形，就是输入是一列波，通过RC电路的延时，使得其中一列波形延时一会，从而产生另一列延时的波形。如此就可以得到两列频率完全相同的但相位不同的波形。具体框图如下图11高精度相位差计的设计2图11相移发生电路框图RC低通滤波器（LPF）图12相移发生电路该电路的传输函数表达式为11JJ11JJCHRCRC（式1）令C1RC，当输入信号角频率为，则我们能够得到传输函数幅度与相位表答式（2）、（3）11CHJ（式2）ARCTANC（式3）根据式（3）我们能够计算出测试相位差，并且其相位差范围从090。式中C称为低通滤波器的通带截止频率。经比较，方案二能更好的满足测试的要求，能够得到同频同相的两列输入波形，所以决定选用方案二。二二二二、系统各模块设计及原理分析系统各模块设计及原理分析系统各模块设计及原理分析系统各模块设计及原理分析21系统总体框图及各模块原理分析系统总体框图及各模块原理分析系统总体框图及各模块原理分析系统总体框图及各模块原理分析211系统设计框图高精度相位差计的设计3图21系统总体框图212各模块原理说明整形部分为了对输入的小信号也能进行相位差测量，则需要在测量前进行放大整形。这里我们通过放大器来实现。我们知道当放大器的增益很大时，其输出端即为满幅（等于电源电压）。然后在经过二极管半波整流与通过反向器，转化成为能够适用于后续电路相位差检测。其电路原理图如图22所示1098U4CTL084121314U4DTL084321411U4ATL084567U4BTL084R41K100KR51KR61KR14稳压管R15稳压管R18二极管R19二极管R71KR81KR91KR2100KR101KR111KR16稳压管R17稳压管R20二极管R21二极管R121KR131KR3100KC1CAP121212CNCON21C5CON1图22放大整形电路锁相环用锁相环来实现倍频，准确，倍数稳定。倍频产生的波形作为填充门控信号。通过对倍频后的方波脉冲的记数，就能计算出存在的相位差。整形整形分频分频PLL/3600与异或分频/10单片机数码显示高精度相位差计的设计4AIN14BIN3VCIN9INH5CA6CB7R111R212PCP1PC12PC213VCOUT4SF10ZEN15U134046C650PC51UFR291MR2810KR274K7456U10B74F089108U10C74F08121311U10D74F08Q121Q62Q53Q74Q45Q36Q27Q19CLK10RST11Q912Q813Q1014Q1115U124040IN3600OUT3600分分分分频频频频模模模模块块块块3600图23锁相倍频（3600）电路图24锁相倍频率原理框图当4046工作在琐定状态时，则有如下计算公式FIFONFOFIMNM（式4）通过改变N和M的值来改变输出FO。这里我们取了N3600，M去1，所以能够实现3600倍频。频率计算将输入波形通过分频后，通入单片机，利用单片机的定时记数功能，可以计算出输入波形的频率高精度相位差计的设计5考虑到单片机的晶振频率以及模块所承受的最大频率，在单片机之前加入计数器，此处起到分频的作用。数码显示相位差和输入波形的频率。22各模块各模块各模块各模块设计及参数计算设计及参数计算设计及参数计算设计及参数计算将输入波形通过分频后，通入单片机，利用单片机的定时记数功能，可以计算出输入波形的频率，并通过数码管显示相应的值。锁相环实现倍频锁相环具有良好的窄带滤波特性,输出的波形纯净,并且在环路锁定后输出频率的温度稳定度和时间稳定度与基准频率相同这些优点使其成为当前最主要的频率合成器,尤其是把大规模数字锁相集成电路和微处理器结合起来,使频率合成器实现更方便,性能更好通常,由相对频稳度为106的晶体振荡器产生、经M倍分频后提供基准频率虚线框中的电路是频率合成器的核心部分锁相环,它由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器等组成系统输出信号的频率为YNM1I,改变分频比N或M,可方便地获得大量离散频率的输出信号图24锁相环频率合成原理框图锁相环是以消除频率误差为目的的反馈控制电路,利用相位误差电压信号实现无频差的频率跟踪目的如图2所示,是一个实现相位自动锁定的控制系统设旋转矢量UI和UY,分别表示鉴相器输入参考信号UIT和压控振荡器输出信号UYT,它们的瞬时角速度和瞬时角位移分别为IT,YT和IT,YT显然只有当两个旋转矢量以相同角速度即TY旋转时,它们之间的相位差才能保持恒定值鉴相器将此恒定相位差变换成对应的直流电压,去控制VCO的振荡角频率Y,使其稳定地振荡在与输入参考信号相同的角频率I上这种情况称之为锁定反之,两者角频率不相等,相位差不恒定,则称为失锁若某种因素使Y偏离了I,比如说,YI,则UY比UI旋转得慢一些,高精度相位差计的设计6瞬时相位差ITYT将随时间增大,则鉴相器产生的误差电压也相应变化该误差电压通过环路滤波器实际上是一个低通滤波器后,作为控制电压调整VCO的振荡角频率,使其增大,因而瞬时相位差也将减小经过不断地循环反馈,UI矢量的旋转角速度逐渐加快,直到与UI旋转角度相同,重新实现YI,这时环路再次锁定,瞬时相位差0为恒值,鉴相器输出恒定的误差电压图25锁相环相位跟踪原理框图根据式（4）如果我们令1,3600NM则3600OIFF实现了3600倍频相位差的计算我们通过对整形后的两路信号把他们加至异或门，就能够得到两列波形之间的时间差T（高电平脉冲）。如果我们把T的脉宽时间作为计数器匝门，3600倍频后的信号脉冲作为计数脉冲，我们能够得到以下图26，及式（5）、（6）。图25测频率记数原理图N个脉冲门控与门输出高精度相位差计的设计723600TNTPI（式5）10N（式6）我们使用单片机的计数器就能记出N值从而也得到了的值，把这个值显示出来就实现了相位差的测量。频率测量及所测量频率的范围频率是直接输入到单片机中，用中断的方式或者记数的方法，记下单位时间内脉冲的个数即频率。测量频率的受到所使用的器件的影响，无法测量高频，对低频有很高的精确度。所测频率的范围为2HZ4KHZ，锁相环HC4046最高可以达到8MHZ，输入的最高频率为8M/36002223HZ。整形后有个二分频，所以最高可以到达4KHZ。此频率相位测量仪能测量低频的信号，精确度达到01度。三三三三、软件系统软件系统软件系统软件系统31流程图图31总体程序设计框图高精度相位差计的设计832系统总体原理图四四四四、调试调试调试调试41使用的仪器仪表