相位測試儀設(shè)計報告-范例

1、附件二：電子設(shè)計競賽設(shè)計報告-范例低頻數(shù)字式相位測量儀摘要：本設(shè)計給出了以凌陽16位單片機Spce061A為核心的數(shù)字式相位測量的基本原理與實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)由相位測量儀、數(shù)字式移相信號發(fā)生器和移相網(wǎng)絡(luò)三個模塊構(gòu)成，分別由兩塊單片機獨立地實現(xiàn)控制與顯示功能。采用DDS技術(shù)生成兩路正弦波信號，并通過改變存儲器中數(shù)據(jù)讀取的起始地址來實現(xiàn)數(shù)字移相的功能，用-T變換技術(shù)來實現(xiàn)相位差的測量，使得測量分辨率精確到0.1º，測得的頻率與相位差值送入LCD進(jìn)行顯示，加入紅外鍵盤以及語音播報的功能，使得系統(tǒng)具有智能化、人性化的特色。關(guān)鍵詞：相位測量 頻率測量 數(shù)字移相 DDS 語音播報引言：隨著相位測量

2、技術(shù)廣泛應(yīng)用于國防、科研、生產(chǎn)等各個領(lǐng)域，對相位測量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發(fā)展，在低頻范圍內(nèi)，相位測量在電力、機械等部門有著尤其重要的意義，對于低頻相位的測量，用傳統(tǒng)的模擬指針式儀表顯然不能夠滿足所需的精度要求，隨著電子技術(shù)以及微機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式儀表因其高精度的測量分辨率以及高度的智能化、直觀化的特點得到越來越廣泛的應(yīng)用。基于這些要求，我們設(shè)計并制作了基于Spce061A凌陽16位單片機為核心的低頻數(shù)字式相位測量系統(tǒng)。一 方案論證與設(shè)計1 相位測量方案方案一：將被測的兩路正弦波信號經(jīng)比較器整形成方波信號，利用異或門電路進(jìn)行鑒相處理，將得到的脈沖序列經(jīng)過RC平滑濾波取出其直流分量

3、，該直流電平的幅值與兩路信號的相位差成正比，將此信號送入A/D轉(zhuǎn)換器由單片機進(jìn)行運算處理從而計算出相位差值。方案二：采用脈沖填充計數(shù)法，將正弦波信號整成方波信號，其前后沿分別對應(yīng)于正弦波的正相過零點與負(fù)相過零點，對兩路方波信號進(jìn)行異或操作之后輸出脈沖序列的脈寬可以反映兩列信號的相位差，以輸入信號所整成的方波信號作為基頻，經(jīng)鎖相環(huán)倍頻得到的高頻脈沖作為閘門電路的計數(shù)脈沖，由單片機對獲取的計數(shù)值進(jìn)行處理得到兩路信號的相位差。方案三：鑒相部分同方案二，將兩路方波信號異或后與晶振的基準(zhǔn)頻率進(jìn)行與操作，得到一系列的高頻窄脈沖序列。通過兩片計數(shù)器同時對該脈沖序列以及基準(zhǔn)源脈沖序列進(jìn)行計數(shù)，一路方波信號送入

4、單片機外部中斷口，作為控制信號控制兩片計數(shù)器。得到的兩路計數(shù)值送入單片機進(jìn)行處理得相位差值。對以上三種方案進(jìn)行比較，方案一在低頻段時，RC濾波電路的輸出波動很大，難以達(dá)到要求的相位精度，而方案二在所測頻率較高時，受鎖相環(huán)工作頻率等參數(shù)的影響會造成相位差測量的誤差，極大地影響測量的精度，采用方案三由高精度的晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率，可以滿足系統(tǒng)高精度、高穩(wěn)定度的要求。2 頻率測量方案方案一：用專用頻率計模塊來測量頻率，如ICM7216芯片，其內(nèi)部帶放大整形電路，可以直接輸入正弦信號，外部振蕩部分選用一塊高精度晶振和兩個低溫度系數(shù)電容構(gòu)成10MHz振蕩電路，其轉(zhuǎn)換開關(guān)具有0.01s，0.1s，1s，

5、10s四種閘門時間，量程可以自動切換，待計數(shù)過程結(jié)束時顯示測頻結(jié)果。方案二：利用可編程計數(shù)器來實現(xiàn)頻率的測量，將被測信號轉(zhuǎn)換為方波信號輸入可編程計數(shù)器8254的某一路Clk端口，并將Gate端置為高電平，利用單片機產(chǎn)生的定時中斷來控制8254的計數(shù)，最后計數(shù)值送入單片機處理并輸出。對以上方案進(jìn)行比較，利用頻率計模塊來實現(xiàn)頻率測量，ICM7216的外圍硬件電路復(fù)雜，測頻精度不夠高；而采用方案二，用單片機控制計數(shù)器工作，硬件簡單且頻率測量精度高，這也是目前較為成熟的一種高精度測頻方案。因此采用方案二來實現(xiàn)頻率的測量 3 數(shù)字移相信號發(fā)生器方案在數(shù)字移相信號發(fā)生器模塊電路中，首先要生成相位測量儀所需

6、的兩路不同相位的正弦波信號，目前DDS已經(jīng)是很完善的一種數(shù)字信號產(chǎn)生方案，所以在該部分，我們主要對產(chǎn)生正弦波信號的數(shù)字移相方案進(jìn)行論證。方案一：將正弦波量化為一張數(shù)據(jù)表分別存儲于兩片之中，通過單片機控制計數(shù)器來對存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址，并經(jīng)過兩片D/A轉(zhuǎn)換芯片循環(huán)的輸出該數(shù)據(jù)表，當(dāng)兩路D/A轉(zhuǎn)換芯片所獲得的數(shù)據(jù)序列不同時，轉(zhuǎn)換所得的兩路正弦信號存在相位差，相位差值僅與數(shù)據(jù)地址的偏移量有關(guān)。方案二：將參考正弦波轉(zhuǎn)換為方波，以此信號為基準(zhǔn)，延時后產(chǎn)生另一路同頻率的方波，通過改變延時的長短來控制兩個波形的相位差大小，最后通過波形變換電路將其還原為兩路有相位差的正弦波輸出。綜合以上兩種方案，利用方案一

7、，采用2K的存儲芯片2817存儲量化的正弦波數(shù)據(jù)，通過單片機可以較精確的控制移相的大小，實現(xiàn)1º相位差步進(jìn)，而且硬件電路較為簡單，而方案二雖然也可以精確控制移相，但是相對而言硬件電路更為復(fù)雜，調(diào)試較為麻煩，因此我們采用第一種方案來實現(xiàn)數(shù)字移相。4 顯示部分設(shè)計方案方案一：采用八位共陰極LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，利用單片機串行口的移位寄存器工作方式，外接MAX7219串行輸入共陰極顯示驅(qū)動器，每片可驅(qū)動8個LED數(shù)碼管。方案二：采用點陣字符型LCD液晶顯示，可以顯示數(shù)字與阿拉伯字母等字符，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，LCD的液晶顯示越來越廣泛的應(yīng)用于各種顯示場合。比較這兩種方案，數(shù)碼管顯示驅(qū)動簡

8、單，但顯示信息量少，功耗大；利用液晶顯示可以工作在低電壓、低功耗下，顯示界面友好、內(nèi)容豐富，綜合考慮，選用LCD來實現(xiàn)顯示功能。二 原理分析與硬件電路圖根據(jù)賽題要求的任務(wù)，該低頻相位測量系統(tǒng)包括相位測量儀、數(shù)字式移相信號發(fā)生器和移相網(wǎng)絡(luò)三個模塊，由于三個模塊相對獨立，以下分別對其進(jìn)行原理分析與電路設(shè)計。1 相位差測量模塊（1）原理分析輸入兩路同頻率的正弦波信號，其波形表達(dá)式分別為： 其中、為電壓瞬時值，、為電壓的幅值，為角頻率，、為初始相角，當(dāng)兩路信號的頻率相同時，相角差是一個與時間無關(guān)的常數(shù)將此兩路正弦波信號經(jīng)過放大整形成兩路占空比為50%的正方波信號f1、f2，經(jīng)過異或門輸出一個脈沖序列A

9、，與晶振產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖波B進(jìn)行與操作得到調(diào)制后的波形C，在一定的時間范圍內(nèi)對B、C中脈沖的個數(shù)進(jìn)行計數(shù)得、，則其相位差計算公式為，采用多個周期計數(shù)取平均值的方式以提高測相精度。系統(tǒng)框圖如圖2-1-2所示：（2）原理電路 前級放大整形電路：兩列正弦波信號經(jīng)過一級電壓跟隨器以提高測量儀的輸入阻抗，選用高精度、低漂移型運放TLE2074使輸入阻抗達(dá)到兆歐數(shù)量級，由LM311構(gòu)成的遲滯回環(huán)比較器可以有效的避免在過零點時信號的干擾和抖動所引起的電壓跳變，最后通過一級單門限電壓比較器輸出兩路TTL電平信號，經(jīng)異或門得到方波的脈沖序列。該前級放大整形電路的基本原理圖如下： 相位差測量電路通過理論分析，基準(zhǔn)頻

10、率越高，記得的窄脈沖個數(shù)越多，相位差的測量也越精確，但是受到8254極限工作頻率的影響，最終選取8.000MHz的晶振，由單片機I/O口控制兩片8254分別對兩路脈沖進(jìn)行計數(shù)，將8254內(nèi)含的兩路計數(shù)器進(jìn)行級聯(lián)以提高計數(shù)位數(shù)，對32位的計數(shù)結(jié)果進(jìn)行浮點運算使得相位差測量的分辨率達(dá)到0.1º，其原理圖如圖2-1-4所示： 相位極性判別電路在圖2-1-4所示的相位測量電路中，只能給出相位差的大小，無法判斷波形的超前或者滯后，因此將波形整形電路的兩路輸出方波送入D觸發(fā)器中進(jìn)行相位極性判別，當(dāng)超前時，Q端輸出高電平，反之輸出低電平，極性判別的原理圖如右圖215所示。2 數(shù)字式移相信號發(fā)生器模

11、塊（1）原理分析要實現(xiàn)數(shù)字移相，首先要生成兩路正弦波信號，在目前的波形生成方案中，最常用的就是數(shù)字式直接頻率合成技術(shù)（DDS），DDS的工作原理是基于相位與幅度的對應(yīng)關(guān)系，通過改變頻率控制字來改變相位累加器的相位累加速度，然后在固定時鐘的控制下取樣，取樣得到的相位值通過相幅轉(zhuǎn)換得到的相位值所對應(yīng)的幅度序列，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換以及低通濾波之后輸出正弦波信號?；究驁D如下：累加器波形存儲器D/A轉(zhuǎn)換濾波相位增量時鐘 地址總線 正弦波輸出圖2-2-1 DDS工作原理 相幅轉(zhuǎn)換的方式選用查表法，根據(jù)題目的要求，輸出的兩列波形具有相位差，用以相位測量儀的輸入，將正弦波的量化數(shù)據(jù)存儲于兩片之中，通過控制讀取存儲

12、器數(shù)據(jù)的地址差,從而改變輸出波形的相位差，每個周期取樣360個點，相位差步進(jìn)為1º?，嵪喹h(huán)倍頻的基頻為900Hz，輸出正弦信號的頻率范圍為5Hz23KHz,實際頻率步進(jìn)值為2.5Hz。為了防止輸出信號產(chǎn)生相移，D/A的輸出盡量避免濾波電路，只是在小信號輸出時接了一個低通濾波器，原理框圖如下所示：單片機紅外鍵盤液晶顯示計數(shù)器數(shù)模轉(zhuǎn)換計數(shù)器數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出信號輸出信號語音播報存儲器存儲器圖2-2-2 數(shù)字式移相信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖（2） 原理電路選用2k的存儲器2817對正弦波信號的量化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，由晶振電路產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率的方波作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)時鐘，配合可編程計數(shù)器8254進(jìn)行倍頻處理，改變倍

13、頻的比例來改變輸出波形的頻率，同時倍頻之后的信號控制計數(shù)器74HC4040進(jìn)行循環(huán)計數(shù)，將計數(shù)器的輸出作為存儲器讀取的地址，改變數(shù)據(jù)讀取的地址即可改變輸出波形的相位。通過改變AD7524的基準(zhǔn)電壓幅值來改變輸出波形的峰-峰值大小。因兩路正弦波產(chǎn)生的原理相同，僅僅是數(shù)據(jù)讀取的起始地址不同，以下給出一路波形生成電路，另一路硬件電路與此相同。圖2-2-3 倍頻電路圖2-2-4 移相信號發(fā)生電路（3） 移相網(wǎng)絡(luò)模塊由賽題的要求，在三種不同的輸入頻率下，要求實現(xiàn)-45º+45º的連續(xù)移相，且幅值可調(diào)，利用題中給出的移相網(wǎng)絡(luò)方案，對元件的參數(shù)進(jìn)行理論分析與計算，采用阻容式移相電路，由其

14、矢量圖可以知，當(dāng)電阻、電容的等效阻抗相等時，移相范圍可以滿足90º要求，即，=2f。當(dāng)頻率f變化時，經(jīng)理論計算結(jié)合Pispice仿真，得到R、C的具體參數(shù)如下：f=100Hz，R=160k、C=10nF；圖2-3-1 移相電路矢量圖f=1KHz，R=16k、C=10nF；f=10KHz，R=1.6k、C=10nF； 通過改變R3、R4的阻值來改變輸出信號的幅值，電路原理如下圖所示：圖2-3-2 移相網(wǎng)絡(luò)三 軟件設(shè)計與流程1 系統(tǒng)軟件介紹：軟件部分采用模塊化程序設(shè)計的方法，由主控制程序、液晶顯示部分子程序、鍵盤服務(wù)子程序、語音提示部分子程序組成。我們選用凌陽公司推出SPCE061A型1

15、6位單片機微控制器，它帶有高尋址能力的32K字閃存FLASH以及2K靜態(tài)RAM，具有32位可編程的多功能I/O端口，中斷處理能力強，適合于實時、高速的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是其指令系統(tǒng)中提出了具有較高運算速度的16×16位乘法運算指令和內(nèi)積運算指令，為其應(yīng)用增添了DSP功能，可以進(jìn)行數(shù)字信號處理，因此我們的系統(tǒng)很便利的加入了語音模塊。在其編譯環(huán)境下可以內(nèi)嵌C高級語言，C函數(shù)與匯編函數(shù)可以很方便的相互調(diào)用，所以編程效率高而且可靠。2 程序流程圖相位測試模塊流程圖如圖3-1-1所示：圖3-1-1 相位測試模塊流程圖數(shù)字移相信號產(chǎn)生部分流程圖如圖3-1-2所示：圖3-1-2 數(shù)字移相信號產(chǎn)生流程圖

16、 四 系統(tǒng)測試與誤差分析1 測試環(huán)境時間：2003年9月18日溫度：252 測試儀器（1）FLUKE17B多功能數(shù)字萬用表（2）數(shù)字示波器TDS1002（3）凌陽SPCE061A單片機（4）BS1905工頻電參數(shù)測試儀（6）CA164OP20型函數(shù)發(fā)生器/計數(shù)器3 測試方法硬件模塊測試：系統(tǒng)本身由三個獨立的模塊構(gòu)成，所以分三部分進(jìn)行調(diào)試，首先對移相網(wǎng)絡(luò)，在三個頻點下通過撥碼開關(guān)來切換網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)，以此來對輸出波形的相位與幅值進(jìn)行調(diào)整。對于數(shù)字式移相信號發(fā)生器，通過紅外鍵盤對輸出兩路信號的頻率、相位差以及峰-峰值進(jìn)行設(shè)置。最后把產(chǎn)生的有相位差的兩路信號分別接入相位測試電路進(jìn)行相位差的測量。軟件

17、模塊測試：采用自下而上的調(diào)試方式，先進(jìn)行模塊測試程序的調(diào)試，待全部通過之后將所有的軟件程序串接起來并結(jié)合硬件電路進(jìn)行整體調(diào)試。4 測試數(shù)據(jù)（1）相位差測量儀校準(zhǔn) 由于實驗室只有50Hz工頻相位測試儀，所以選取了50Hz頻點進(jìn)行測試，由此來對相位測量儀進(jìn)行校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)如表1所示：表1 相位差測量校準(zhǔn)數(shù)據(jù) 設(shè)定相位差顯示相位差測量相位差誤差10º9.58º9.73º1.945º44.91º44.68º0.590º89.46º89.63º0.2135º134.94º134.86º0.

18、1180º181.34º179.77º0.9270º270.36º269.74º0.2315º316.47º314.73º0.6359º358.76º359.01º0.1（2）移相網(wǎng)絡(luò)相移范圍測試表2 移相網(wǎng)絡(luò)相移測試數(shù)據(jù)輸入信號頻率連續(xù)相移范圍峰-峰值范圍100Hz-46.78º+43.12º99mV5.44V1KHz-45.81º+41.07º90mV5.50V10KHz-44.11º+42.56º89mV5.6

19、0V（3）相位差與幅度的校驗 根據(jù)題意要求，自選幾個頻點進(jìn)行校驗， 表3 f=20Hz時校驗數(shù)據(jù)表設(shè)定相位差顯示相位差誤差（）設(shè)定幅值（V）實際幅值（V）誤差（）10º9.83º1.710.30.320.253.02.961.355.55.421.4745º44.85º0.330.30.320.253.03.041.315.55.362.6190º90.42º0.460.30.339.103.03.000.05.55.441.10150º150.29º0.190.30.339.103.03.041.315.55.3

20、62.61270º271.31º0.110.30.326.253.03.041.315.55.362.61359º359.02º0.050.30.326.253.03.020.635.55.401.85表4 f=200Hz時校驗數(shù)據(jù)表設(shè)定相位差顯示相位差誤差（%）設(shè)定幅值（V）實際幅值（V）誤差（%）10º9.73º2.70.30.313.253.03.041.305.55.421.4745º44.27º1.620.30.326.253.03.041.305.55.470.5090º90.04º

21、0.040.30.300.03.03.041.305.55.421.47150º150.81º0.540.30.3411.763.03.020.635.55.401.85270º270.91º0.340.30.313.123.03.020.625.05.346.36359º359.24º0.060.30.326.253.03.010.305.55.411.84表5 f=2KHz時校驗數(shù)據(jù)表設(shè)定相位差顯示相位差誤差（%）設(shè)定幅值（V）實際幅值（V）誤差（%）10º9.96º0.40.30.313.123.03.030

22、.95.55.450.945º44.38º1.370.30.326.253.03.041.25.55.401.8590º90.29º0.320.30.3003.03.020.665.55.460.73150º150.54º0.350.30.326.253.03.020.605.55.431.28270º271.68º0.60.30.313.123.03.000.05.55.421.47359º358.62º0.10.30.300.03.03.051.645.55.382.06表6 f=20KHz

23、時校驗數(shù)據(jù)表設(shè)定相位差顯示相位差誤差（%）設(shè)定幅值（V）實際幅值（V）誤差（%）10º9.96º0.40.3V0.326.253.0V3.051.645.5V5.401.8545º45.82º1.820.30.313.133.03.0005.55.205.7690º90.64º0.70.30.326.253.03.030.105.55.392.04150º150.29º0.190.30.3003.03.041.315.55.10780270º270.41º0.150.30.339.103.03.

24、051.645.55.303.77359º358.85º0.040.30.313.133.03.103.305.55.323.385 誤差分析（1）相位測量電路的誤差分析在相位測量過程中，受電子元器件性能的影響，在正弦波經(jīng)過零檢測電路整成方波的過程之中，兩路信號不可能做到時延特性完全的一致，前端放大電路以及過零檢測電路會帶來方波信號相對于輸入信號的過零點偏移，所以得到的兩個方波信號的相位差實際上是輸入信號的相位差和兩路過零比較電路相位差的綜合相差，由于是在一定的時間內(nèi)對脈沖的個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，因此將引入截斷誤差，尤其當(dāng)兩路信號的相位差較小時，截斷誤差的存在將在很大程度上對相位測量的精度造成影響。（2）移相網(wǎng)絡(luò)的誤