相位测量方案

1、相位测量仪方案方案一：单周波计数法。将有相位差的两路方波信号进行异或后作为闸门， 在高电平时，利用外部高频信号进行计数，在下降沿将数据读出，低电平时对计 数器清零。设晶振频率为fc，测得信号的频率为fr，计数值为N，那么相位差phase 为phase + N 180°方案二：定时间计数。将高频时钟信号和两路信号异或得到的信号进行“与 在设定时间s内利用其上跳变沿计数，设高频时钟频率为 fc，计数值为N，那么一N ec。phase180sfc方案三：多周期同步计数法。设被测信号的频率为 f,那么将一被测信号进行 fi倍f取整分频，那么在fi周期内保证测量时间在1s左右，被测信号异或与

2、参考高频信号相与的信号sin gall的计数为Ni,同时期参考高频信号的计数为 N， 那么Ni°phase - 180N以上三种方案都可以采用一个D触发器将相位测量的相位扩展到0。-360。方案一需高速时钟，按题目要求，在20kHz信号时的相位差分辨率为0.1°，那么要 求时钟最少为72MHz，实现困难。而方案二测量时间段一定，存在遗漏 01个 周波的情况，从而引入较大的误差。方案三的读数与异或得到的信号同步， 不存 在遗漏问题，误差很小，故采用此方案。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

3、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：鉴相局部同方案一，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。对以上方案进行比拟，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、

4、高稳定度的要求。相位测量论证与选择方案一：利用单片机实现测量相位差，实现框图如图1-1所示图1-1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MCS-51单片机的最窄脉宽为1us，误差即为 1us。当要实现1的步进时,计数脉宽最少为360us,以正弦波计，最高的频率为360* 10=2.78KHZ。显然,技术来提高精度,此种方法硬件原理上难以保证测量精度，需在软件上采用 增加了软件量。方案二：采用相差一电压测量法。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1

5、-2所示。图1-2 数字鉴相、相位一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：采用相差一时间测量法。设计原理框图如图1-3所示。图1-3数字鉴相、相位一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1-4所示。图1-4数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nT，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np。那么相位差的计算公式为：np 360(1-1)n

6、T从(1-2 )式可以看出，相差的精度只与nT有关，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nT有效位数不低于4位，那么相差的精度能到达0.1度。此方案的相位测量精度高且便于控制。因此选用方案三。相位测量方案相位测量方案的关键问题是相位测量方法的选择。方案一：基于数字鉴相技术实现的方案CD4046鉴相电路输出经 AD0809采样后的数据送到 FPGA，经过处理后，输出到 LED 显示相位，原理方框图如图所示。图数字鉴相技术实现相位测量原理方框图方案二：利用高精度比拟器实现的方案将移相信号与基准信号分别送到两个过零比拟器，使双极

7、性的正弦波转换成单极性的方波。假设两路正弦波存在相位差，那么两路方波也必定存在相同的相位差值。将相位差值对应的时间间隔作为 FPGA对50MHz的脉冲数的计数时间，从而得到正弦波的相位差为：n 。360上述两种方案从对硬件的要求而言，方案一在FPGA芯片根底上需要一片 CD4046和一片AD0809，而方案二那么在 FPGA芯片根底上只需要一片 LM393 ；从测量性能方面来说，在低频率方面，方案一的相位差总共只能有256个量级，而采用通过 FPGA记脉冲数的方法测量的精度将远远高出此量级。因此，选用方案二，采用比拟器LM393和FPGA来实现测 相。相位差测量方案一：将被测的两路正弦波信号整

8、成方波信号，利用异或门电路进行鉴相处理，将得到的脉冲序列经过 RC平滑滤波取出其直流分量，该直流电平的幅值与两路信号的相位差成 正比，将此信号送入 A/D转换器由单片机进行运算处理从而计算出相位差值。方案二：采用脉冲填充计数法， 将正弦波信号整成方波信号，其前后沿分别对应于正弦波的正相过零点与负相过零点，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。方案三：将两路被测正弦波信号整成方波信号，通过图3-5所示的鉴相器，输出一路具

9、有不同占空比的脉冲波形。由图3- 6的仿真波形可知，该脉冲信号的占空比与这两路信号图3-5鉴相器原理图Name;Vj15叫110 OusJ15 Ousi,20 Ous25 Ous130 Ous35 DusJPB30-_>EPD0n图3-6鉴相器的仿真波形 的相位差成正比：相位差=N1*360 ° / ( N1+N2(3-5)其中N1是高电平脉宽时间内的计数器，N2是低电平脉宽时间内的计数值。对以上三种方案进行比拟，方案一在低频段时，RC滤波电路的输出波动很大，难以达到要求的相位精度，而方案二在所测频率较高时，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，极大地影响测量的

10、精度，采用方案三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。3'目位测量及显示电路:本局部电路不采用相敏整流法，防止了模拟电路得不好控制，不易数字化的 缺点，而是采用单片机89c52,禾I用高频计数器cd4040和逻辑电路来实现的相 位测量。这局部的电路图是工作原理：由于这局部的输入是有相移的两路正弦信号，而要实现其数字 化，所以要把正弦信号转化成方波信号，其电路如下：8output输出的波形为output输出的波形再与固定的晶振脉冲相与非产生新的脉冲信号，作为CD4040的CP脉冲，计算脉冲个数。CD4040工作方式：当RST脚为“0时，计数器开始计数，C

11、LK脚为脉冲输入端；当RST脚 为“+1时，计数器的各脚清零。所以在output脚输出的信号的一个周期内，计数器计数一次。为扩大测量的相移差的范围，采用两片CD4040.到达24位的要求。计算参数如下：设晶振的周期为Ts,两个正弦波变换成方波后的周期为 To,output输出的信 号的低电平的时间为T,那么对应的相移对应的时间为 To/2-T;CD4040计数的数值为 N.那么T=N*Ts,那么T' =T-N*Ts;得相移对应的晶振个数 N' =(TdN*Ts)/Ts;每个晶振个数对应一定的相移：A0,那么总的相移：A0*N在一个周期内，测得的计数脉冲的个数通过8255传给单片

12、机89c52,进行计算，从而到达通过软件到达现视的目的。此设计通过8279到达显示管的驱动1、相位测量仪方案一：相位-电压转化法；两个频率相同，相位不同被测正弦信号，经限幅放大和脉冲整形后变成两个方波， 在经微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉冲，利用非饱和型高速双稳态电路被这两组负脉冲所触发，输出周期为T、宽度为Tx的方波，假设方波幅度为Ug，那么此方波的平均值即直流分量为：Uo U gg T因此，用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，输出电压即直流电压 Uo。上式中T为被测信号的周期，Tx由两信号的相位差X决定。TX与x的关系为:即 Tx JT 360故有：UoUgX360

13、Txxx-Tx Tw 2 f2360假设A/D的量化单位取为 Ug/3600,那么A/D转换结果即为x的度数。方案二：相位-时间转化法；首先将两个频率相同，相位不同的正弦信号通过过零比拟器转变方波信号，然后进行异或运算，产生脉宽为To、周期为T的另一方波，假设计算时钟脉冲周期为Tcp，那么在Tx时间内的计数数值为:故有:ToTcpx360ToTcpMT cp360To即为相位差的度数。分析与比拟：纵观上述两种方案，方案一是将相位差信号转变为电压信号进行测量，对单一频率信号的相位检测时， 相位差信号与电压信号之间存在唯一对应关系，电压的上下反应了相位的大小，但当输入的信号频率在一定范围可变时，此

14、方法不适用。原因有二：一是相位变化会引起输出电压信号 Uo的变化，二是频率变化也会影响输出信号 Uo的变化。所以对于20HZ-20KHZ范围内的信号检测系统的输出UO与被测信号的相位之间不存在唯一对应关系。方案二是将相位差信号转变为时间信号进行测量，相位差与Tx/T之间始终存在一一对应关系，因此不管频率如何变化，只要测量出Tx/T大小，相位差的大小也就确定了。因此我们采用方案二。1.3相频特性测量方案一：使用鉴相器，将相位差转换为电压值测量。由于受到鉴相器的性能限 制，此方案精度不太高。方案二：相位差可以通过占空比进行测试， 但正弦波占空比不易测量，因此需 先将正弦波通过过零比拟整形为方波。

15、再由如下列图所示原理将通过被测网络前的 方波信号fl和通过被测网络后的信号f2相与，从而得到两者的相位差 A,再将 A和高频脉冲B相与得到C,对C进行多周期计数来求得每个周期中高电平占空 比，即可得到相差。-Tl III曰 ntqIIHIIIFb LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLUJJ 小u LLULLUL n2图1-1综上考虑，方案二的测量精度高，我们采用了方案二。二.相频特性测试原理及实现首先将输入输出信号分别通过电压比拟器整形为方波，然后送鉴相器鉴相，经低通滤除其中的交流成份，取出直流成份，得到被测 网络相移信号，送A/D进行数据采集。原理框图如下列图所示:图4-3 相频特性测试框图本系统鉴相器利用CD4046锁相环的鉴相器是异或门鉴相其鉴相特性如图4 4所示：h Up11i4-2 » n0712 F2图44鉴相特性从特性看它只能给出相移的大小信息，而无法判断超前与滞后,所以我们另加一个相位极性判别电路。该电路