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1、1低频数字式相位测n仪摘要：本设计给出了以凌阳16位单片机Spce061A为核心的数字式相位测量的 基本原理与实现方案。该系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络 三个模块构成，分别由两块单片机独立地实现控制与显示功能。采用DDS技术生成两路正弦波信号，并通过改变存储器中数据读取的起始地址来实现数字移相 的功能，用-T变换技术来实现相位差的测量，使得测量分辨率精确到0.1 o,测得的频率与相位差值送入LCD进行显示，加入红外键盘以及语音播报的功能， 使得系统具有智能化、人性化的特色。关键词：相位测量频率测量数字移相DDS语音播报引言：随着相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域

2、，对相位测量 的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在低频范围内，相位测量在电力、 机械等部门有着尤其重要的意义，对于低频相位的测量，用传统的模拟指针式仪 表显然不能够满足所需的精度要求，随着电子技术以及微机技术的发展， 数字式 仪表因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛 的应用。基于这些要求，我们设计并制作了基于Spce061A凌阳16位单片机为核心的低频数字式相位测量系统。一方案论证与设计1相位测量方案方案一：将被测的两路正弦波信号经比较器整形成方波信号，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

3、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：鉴相部分同方案二，将两路方波信号异或后与晶振的基准频率进行 与操作，得2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

4、, 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。对以上三种方案进行比较，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。2频率测量方案方案一：用专用频率计模块来测量频率，如ICM7216芯片，其内部带放大整形电路，可以直接输入正弦信号，外部振荡部分选用一块高精度晶振和两个低 温度系数电容构成10MHz振荡电路，其转换开关具有0.01s, 0.1s, 1s,

5、 10s四种 闸门时间，量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果。方案二：利用可编程计数器来实现频率的测量， 将被测信号转换为方波信号 输入可编程计数器8254的某一路Clk端口，并将Gate端置为高电平，利用单片 机产生的定时中断来控制8254的计数，最后计数值送入单片机处理并输出。对以上方案进行比较，利用频率计模块来实现频率测量，ICM7216的外围硬件电路复杂，测频精度不够高；而采用方案二，用单片机控制计数器工作，硬 件简单且频率测量精度高，这也是目前较为成熟的一种高精度测频方案。因此采用方案二来实现频率的测量3数字移相信号发生器方案在数字移相信号发生器模块电路中，首先要生成相位测

6、量仪所需的两路不同 相位的正弦波信号，目前DDS已经是很完善的一种数字信号产生方案，所以在 该部分，我们主要对产生正弦波信号的数字移相方案进行论证。方案一：将正弦波量化为一张数据表分别存储于两片E2PROM之中，通过单片机控制计数器来对存储器中的数据进行寻址，并经过两片D/A转换芯片循环的输出该数据表，当两路D/A转换芯片所获得的数据序列不同时，转换所得 的两路正弦信号存在相位差,相位差值仅与数据地址的偏移量有关。方案二： 将参考正弦波转换为方波， 以此信号为基准， 延时后产生另一路同 频率的方波，通过改变延时的长短来控制两个波形的相位差大小，最后通过波形变换电路将其还原为两路有相位差的正弦波

7、输出。综合以上两种方案，利用方案一，采用2K的存储芯片2817存储量化的正 弦波数据，通过单片机可以较精确的控制移相的大小，实现1o相位差步进，而 且硬件电路较为简单，而方案二虽然也可以精确控制移相， 但是相对而言硬件电 路更为复杂，调试较为麻烦，因此我们采用第一种方案来实现数字移相。34显示部分设计方案4方案一：采用八位共阴极LED数码管进行显示，利用单片机申行口的移位 寄存器工作方式，外接MAX7219申行输入共阴极显示驱动器，每片可驱动8个LED数码管。方案二：采用点阵字符型LCD液晶显示，可以显示数字与阿拉伯字母等字 符，随着半导体技术的发展，LCD的液晶显示越来越广泛的应用丁各种显示

8、场 合。比较这两种方案，数码管显示驱动简单，但显示信息量少，功耗大；利用液 晶显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选 用LCD#实现显示功能。二 原理分析与硬件电路图根据赛题要求的任务，该低频相位测量系统包括相位测量仪、数字式移相信 号发生器和移相网络三个模块，由丁三个模块相对独立，以下分别对其进行原理 分析与电路设计。1相位差测量模块(1)原理分析输入两路同频率的正弦波信号，其波形表达式分别为：v1=Vm1sin( t1) v2=Vm2si n (2)其中V1、V2为电压瞬时值,Vm1、Vm2为电压的幅值，与为角频率，气、中2为初始相角，当两路信号的频率相同时，

9、相角差e =%一中2是一个与时间无关的常数.N- 360:一计数得 NC、Nb,则其相位差计算公式为e=NCx360,采用多个周期计数Nb2取平均值的方式以提高测相精度。系统框图如图2-1-2所示：将此两路正弦波信号经过放大整形成 两路占空比为50%的正方波信号f1、f2 ,经过异或门输出一个脉冲序歹U A,与晶振产生的基准脉冲波B进行与操 作得到调制后的波形C,在一定的时 间范围内对B、C中脉冲的个数进行fl_Lf2II IAImmrirBiiiiiniiiiniiiiiniiiinniinic IlliIlliIlliIlliI图 2-1-1 相位检测波形图5图2-1-2相位测量模块框图(

10、2)原理电路1前级放大整形电路：两列正弦波信号经过一级电压跟随器以提高测量仪的输入阻抗，选用高精度、低漂移型运放TLE2074使输入阻抗达到兆欧数量级，由LM311构成的迟滞 回环比较器可以有效的避免在过零点时信号的干扰和抖动所引起的电压跳变，最后通过一级单门限电压比较器输出两路TTL电平信号，经异或门得到方波的脉 冲序列。该前级放大整形电路的基本原理图如下：图2-1-3波形变换电路2相位差测量电路通过理论分析，基准频率越高，记得的窄脉冲个数越多，相位差的测量也越 精确，但是受到8254极限工作频率的影响，最终选取8.000MHz的晶振，由单 片机I/O口控制两片8254分别对两路脉冲进行计数

11、，将8254内含的两路计数器 进行级联以提高计数位数，对32位的计数结果进行浮点运算使得相位差测量的 分辨率达到0.1o,其原理图如图2-1-4所示：63相位极性判别电路在图2-1-4所示的相位测量电路中，只 能给出相位差的大小，无法判断波形的超前 或者滞后，因此将波形整形电路的两路输出 方波送入D触发器中进行相位极性判别， 当U。超前Ui时，Q端输出高电平，反之输 出低电平,极性判别的原理图如右图2- 1 5所小o2数字式移相信号发生器模块(1)原理分析要实现数字移相，首先要生成两路正弦波信号，在目前的波形生成方案中， 最常用的就是数字式直接频率合成技术(DDS), DDS的工作原理是基丁相

12、位与 幅度的对应关系，通过改变频率控制字来改变相位累加器的相位累加速度， 然后在固定时钟的控制下取样， 取样得到的相位值通过相幅转换得到的相位值所对应 的幅度序列，通过数模转换以及低通滤波之后输出正弦波信号。基本框图如下：CLKODOGUiTDSGATED&74ATE)*1IDQOTIW|t*CLK2aOOT3GATT3”1 S 2-1-5 相位极性判别电路QliTOCLK1GATEDOOTlcuaQUT2CTSTALB OOdMHx图214相位测童电路sssssrsUj_JL ibL7相幅转换的方式选用查表法，根据题目的要求，输出的两列波形具有相位差，用以相位测量仪的输入，将正弦波的

13、量化数据存储丁两片E2PROM之中，通过控制读取存储器数据的地址差，从而改变输出波形的相位差，每个周期取样360个点，相位差步进为1。琐相环倍频的基频为900H乙输出正弦信号的频率范围 为5Hz23KHz,实际频率步进值为2.5Hz。为了防止输出信号产生相移，D/A的 输出尽量避免滤波电路，只是在小信号输出时接了一个低通滤波器，原理框图如下所示：图2-2-2数字式移相信号发生器系统框图(2)原理电路选用2k的E2PROM存储器2817对正弦波信号的量化数据进行存储，由晶振电路产生基准频率的方波作为锁相环的基准时钟，配合可编程计数器8254进行倍频处理，改变倍频的比例来改变输出波形的频率，同时倍

14、频之后的信号控制计数器74HC4040进行循环计数，将计数器的输出作为存储器读取的地址，改变数据读取的地址即可改变输出波形的相位。 通过改变AD7524的基准电压 VREF幅值来改变输出波形的峰-峰值大小。因两路正弦波产生的原理相同，仅仅是数据 读取的起始地址不同，以下给出一路波形生成电路，另一路硬件电路与此相同。8图2-2-4移相信号发生电路(3)移相网络模块由赛题的要求，在三种不同的输入频率下, 且幅值可调，利用题中给出的移相网络方 案，对元件的参数进行理论分析与计算， 采 用阻容式移相电路，由其欠量图可以知，当 电阻、电容的等效阻抗相等时，移相范围可 以满足90o要求，即R=1/C ,切

15、=2UT-12V4-r10KRR110K4-12V6R3R1 PCP OUT R2PCIOUTVCO3I-TPC2OUTSIGNINVCOOUTCOMP IN SF OUT LNHZEHERCIA 74HC4046C1&157123567SD123567SD氓o o 1 1DDDMDDDCRIWA A8254图2-2-3倍频电路Q1 CLKQ2Q3 Q4 Q5 X QTQ8 Q9 Q10 RSTQ11 Q12:4040+13VCLK0 OUT1GATE1CLK1 OUT2GATE2CLK 2 R4CHIT偈DEODEIUT2DE2DBSDB4DE5RfoDE6皿bDE7CSWR要求实现

16、-45o+45o的连续移相,s oiaaK-ii-ix4LF356XT13111A1615ADJ5249心。当频率f变化时，经理论计算结合Pispice仿真，得到R、C的具体参数如下:f=100Hz,R=160kQ、C=10nF;f=1KHz, R=16kQ、C=10nF;图2-3-1移相电路矢量图f= 10KHz , R=1.6kQ、C=10nF;通过改变R3、R4的阻值来改变输出信号的幅值，电路原理如下图所示：图2-3-2移相网络三软件设计与流程1系统软件介绍：软件部分采用模块化程序设计的方法，由主控制程序、液晶显示部分子程序、 键盘服务子程序、语音提示部分子程序组成。我们选用凌阳公司推出

17、SPCE061A型16位单片机微控制器，它带有高寻址能力的32K字闪存FLASH以及2K静态RAM ,具有32位可编程的多功能I/O端口，中断处理能力强，适合丁实时、高 速的应用领域，尤其是其指令系统中提出了具有较高运算速度的16X 16位乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，可以进行数字信号处理， 因此我们的系统很便利的加入了语音模块。在其编译环境下可以内嵌C高级语言，C函数与汇编函数可以很方便的相互调用，所以编程效率高而且可靠。2程序流程图相位测试模块流程图如图3-1-1所示：10图3-1-1相位测试模块流程图数字移相信号产生部分流程图如图3-1-2所示：图3-1-2数字移

18、相信号产生流程图四系统测试与误差分析1测试环境时间：2003年9月18日温度：250C2测试仪器(1)FLUKE17畛功能数字万用表11(2)数字示波器TDS1002(3)凌阳SPCE061浏片机(4)BS1905X频电参数测试仪(6) CA164OP20型函数发生器/计数器3测试方法硬件模块测试：系统本身由三个独立的模块构成，所以分三部分进行调试，首先对移相网络，在三个频点下通过拨码开关来切换网络的元件参数，以此来对输出波形的相位与幅值进行调整。对丁数字式移相信号发生器，通过红外键盘对 输出两路信号的频率、相位差以及峰-峰值进行设置。最后把产生的有相位差的 两路信号分别接入相位测试电路进行相

19、位差的测量。软件模块测试：采用自下而上的调试方式，先进行模块测试程序的调试，待 全部通过之后将所有的软件程序申接起来并结合硬件电路进行整体调试。4测试数据(1)相位差测量仪校准由丁实验室只有50Hz工频相位测试仪，所以选取了50Hz频点进行测试，由 此来对相位测量仪进行校准，数据如表1所示：表1相位差测量校准数据设定相位差显小相位差测量相位差误差10o9.58o9.73o1.9%输入信号频率连续相移范围峰-峰值范围45o44.91o44.68o0.5%90o89.46o89.63o0.2%135o134.94o134.86o0.1 %180o181.34o179.77o0.9%270o270.

20、36o269.74o0.2%315o316.47o314.73o0.6%359o358.76o359.01o0.1 %(2)移相网络相移范围测试表2移相网络相移测试12100Hz-46.78。+43.12o99mV- 5.44V1KHz-45.81。+41.07o90mV- 5.50 V10KHz-44.11。+42.56o89mV- 5.60V（3）相位差与幅度的校验根据题意要求，自选几个频点进行校验，表3f= 20Hz时校验数据表设定相位差显示相位差误差设定幅值（V）实际幅值（V）误差10o9.83 o1.71 %0.30.320.25 %3.02.961.35 %5.55.421.47

21、%45o44.85 o0.33 %0.30.320.25 %3.03.041.31 %5.55.362.61 %续表3f= 20Hz时校验数据表设定相位差 显示相位差误差（%）设定幅值（V）实际幅值（V）误差（%）90o90.42 o0.46 %0.30.339.10 %3.03.0005.55.441.10 %150o150.29 o0.19 %0.30.339.10 %3.03.041.31 %5.55.362.61 %270o271.31 o0.11 %0.30.326.25 %3.03.041.31 %5.55.362.61 %359o359.02 o0.05 %0.30.326.25

22、 %3.03.020.63 %5.55.401.85 %表4f= 200Hz时校验数据表设定相位差显示相位差误差（%）设定幅值（V实际幅值（V）误差（10o9.73 o2.7%0.30.313.25 %3.03.041.30 %5.55.421.47 %0.30.326.25 %1345o44.27 o1.62 %3.03.041.30 %5.55.470.50 %90o90.04 o0.04 %0.30.3003.03.041.30 %5.55.421.47 %150o150.81 o0.54 %0.30.3411.76 %3.03.020.63 %5.55.401.85 %270o270.

23、91 o0.34 %0.30.313.12 %3.03.020.62 %5.05.346.36 %359o359.24 o0.06 %0.30.326.25 %3.03.010.30 %5.55.411.84 %表5 f=2KHz时校验数据表设定相位差显示相位差误差(%)设定幅值(V)实际幅值(V)误差(%10o9.96 o0.4%0.30.313.12 %3.03.030.9 %5.55.450.945o44.38 o1.37 %0.30.326.25 %3.03.041.2 %5.55.401.85 %90o90.29 o0.32 %0.30.3003.03.020.66 %5.55.46

24、0.73 %150o150.54 o0.35 %0.30.326.25 %3.03.020.60 %5.55.431.28 %270o271.68 o0.6%0.30.313.12 %3.03.0005.55.421.47 %359o358.62 o0.1 %0.30.3003.03.051.64 %5.55.382.06 %14表6 f= 20KHz时校验数据表设定相位差显示相位差误差(%)设定幅值(V)实际幅值(V)误差(%1009.96 o0.4%0.3V0.326.25 %3.0V3.051.64 %5.5V5.401.85 %45045.82 o1.82 %0.30.313.13 %

25、3.03.0005.55.205.76 %90090.64 o0.7%0.30.326.25 %3.03.030.10 %5.55.392.04%1500150.29 o0.19 %0.30.3003.03.041.31 %5.55.107. 80%续表6 f= 20KHz时校验数据表设定相位差显示相位差误差(%)设定幅值(V)实际幅值(V)误差(%270o270.41 o0.15 %0.30.339.10 %3.03.051.64 %5.55.303.77 %359o358.85 o0.04 %0.30.313.13 %3.03.103.30 %5.55.323.38 %5误差分析(1)相位测量电路的误差分析在相位测量过程中，受电子元器件性能的影响，在正弦波经过零检测电路整 成方波的过程之中，两路信号不可能做到时延特性完全的一致， 前端放大电路以 及过零检测电路会带来方波信号相对丁输入信号的过零点偏移，所以得到的两个方波信号的相位差实际上是输入信号的相位差和两路过零比较电路相位差的综 合相差，由丁是在一定的时间内对脉冲的个数