基于单片机和CPLD的数字相位测量仪设计

1、工业控制计算机2010年23卷第1期正弦信号（t ）m cos （t）有三个要素：振幅、角频率和初相位。正弦信号经过不同的时间或不同的网络后可以有不同的相位。通常所谓相位测量是指对两个同频率信号之间相位差的测量。相位的测量很重要，如测某元件的阻抗ZU ，因此要知道复阻抗就要知道电压与电流间的相位差。另外在间接调频电路中，利用电压控制谐振电路的中心频率，从而使载波的相位产生漂移，即频率随控制电压改变。在这种调频电路中要确定控制电压与相移间线性变换的范围，因而就需要测量输入与输出信号间的相差，以便确定线性控制的范围。低频数字式相位测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具，比如在电力系统中电网并网

2、合闸时，要求两电网的电信号相同，这就要求精确的测量两工频信号之间的相位差。还有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中具有重要意义。近年来，随着科学技术的迅速发展，很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的使用比较简单，功能越来越多。1系统组成系统主要包括整形电路，以CPLD 为核心的频率、相位差测量电路，以单片机为核心的计算、控制电路以及以8279为核心的键盘显示电路组成。系统的结构原理图如图1所示。图1低频数字相位测量仪结构图11整形电路整形电路主要用于将两路具有相位差的正弦波都整形成方波，以便让CPLD 可以对其进行计数、测频。本系统中我们使用两个施密特

3、触发器对两路信号进行整形，电路图如图2所示。施密特触发器在单门限电压比较器的基础上加入了正反馈网络，可以有效提高抗干扰能力，从而避免信号在过零点时多次触发的现象。另外，为了保证输入电路对相位差测量不带来误差，必须使两个施密特触发器的门限电平相等。图2施密特整形电路12频率、相位差测量电路本系统主要采用测周期的方法来测量信号的频率。首先，将整形后的信号进行二分频，那么二分频后信号的高电平宽度正好对应于原信号的周期T 。将此高电平作为CPLD 内部计数器的启动信号，对时标信号频率f 0进行计数，便可测得信号的周期T ，其倒数即为信号的频率。对相位差的测量也采取类似的方法。由于只要将两路相位不同的信

4、号进行异或操作，所得信号的高电平即为相位差，因此只要将此高电平作为CPLD 内部计数器的启动信号，即可测的相位差。CPLD 的内部逻辑图，如图3所示。13单片机计算与控制与8279显示电路MCU 要完成的任务有三个方面，一是从CPLD 获得多字节的二进制数据，并控制CPLD 的工作；二是对所获得的数据进行处理（完全由软件实现）；三是将经过处理后的数据送给LED 数码管显示。另外，由于送LED 数码管显示的数据有相位差和频基于单片机和CPLD 的数字相位测量仪设计姚晖李伟季上满沈科杰胡娅（浙江理工大学信息电子学院，浙江杭州310018）Design of Digital Phase Measur

5、ing Apparatus Based on MCU and CPLD摘要介绍了数字式低频相位测量仪的组成、工作原理，提出了一种基于单片机和可编程逻辑器件的低频数字相位测量仪的设计方案。系统以AT89C52单片机小系统及Altera 公司的EPM7128SLC8415CPLD 为核心，对频率为20Hz 到20kHz 的正弦波信号实现精确测频、测相，并用以8279为核心的键盘显示电路给以显示。还对测周误差进行了改进分析。该设计将单片机和高速可编程逻辑器件有机连接在一起，其有处理速度快、稳定性高，误差较小的优点。关键词：相位测量，单片机，CPLD ，频率，误差AbstractThis paper

6、introduces the systematic composition,the operation principles of the low frequency digital phase measuring apparatus and proposes a design method based on MCU and CPLDThissystem whose core is AT89C52and EPM7128SLC8415which produced by Altera company,can precisely measure the frequency and phase of

7、sine signal from 20Hz to 20kHzTheresult can be displayed through Keyboard and Display Circuit which based on 8279Further,thispaper analyses the error and the method on how to decrease the errorKeywords :phase measure,MCU,CPLD,frequency,error89基于单片机和CPLD 的数字相位测量仪设计 率两种，因此应设置两个按键开关，以便实现显示内容的切换。本设计中，采用

8、了基于8279键盘显示的单片机小系统电路，键盘显示电路如图4所示。由于，CPLD 中有频率和相位差两种数据需要MCU 来获取，因此需要在单片机和CPLD 之间建立两个握手信号，通过控制握手信号来获取不同的数据。把CPLD 输出数据线连接到单片机的P0口，考虑到CPLD 是多字节的数据，在CPLD 和P0口并接上多片74LS244，通过控制74LS244的导通，来获取CPLD 的全部数据，这个部分主要由软件实现。 8279键盘显示电路，主要显示经单片机计算以后的频率或相位差数据。另外需要设置两个按键对频率相位差的现实进行切换。2软件设计本设计中，软件设计主要分为两部分：一部分是CPLD 的数据采

9、集程序，另一部分是单片机的计算、键盘显示程序。 CPLD 在这里主要完成对频率以及相位差数据的采集，然后送给单片机。单片机主要用于从CPLD 获取数据，然后经过多字节的乘除法运算，多字节的BCD 码转换运算，最后将数据送给8279显示电路进行显示。主要的流程图如图5所示。3测周误差的分析与减小31测周误差的分析下面就噪声、信号电平以及波形陡峭程度对测周的影响进行简单的分析。在测周时，门控信号由通过B 通道的被测信号所控制，即通过施密特电路把被测信号变成方波，并触发门控电路产生控制主门开启的门控信号。当无噪声干扰时，主门开启时间刚好等于一个被测周期T x 。当被测信号受干扰时，给出了一个简单的情

10、况，即干扰为一尖峰脉冲V n ，V B 为施密特电路触发电平。可见，施密特电路原在A 1点触发，现提前在A 1点触发，于是形成的方波周期为T 1，即产生T 1的误差，称为“触发误差”。可利用图6来近似分析和计算T 1。图6中直线ab 为A 1点的正弦波切线，即接通电平处正弦曲线的斜率为：tg dv xv xVB从图6可得：T 1V n，式中V n 为干扰或噪声幅度。tg dv x v xVBx V m cos x t B 2x V m 1sinx 姨t B 2V mx1（B m）2姨实际上一般门电路采用过零触发，即V B 0，可得T 1T x×V nm，式中V m 为信号振幅。同样，

11、在正弦信号的下一个上升沿上也可能存在干扰，即也可能产生触发误T 2T x ×Vn m由于干扰和噪声都是随机的，所以T 1和T 2都属于随机误差，按T n （T 1）（T 2）姨来合成，于是得：T n x T n （T 1）（T 2）x±1姨×Vn m。可见，转换误差与干扰V n 成正比。32减小测周误差多周期测量法：利用多周期测量法可以减小触发误差对测周的影响。这种方法是用计数器测量多个周期值，比如用计数器计十个被测周期的数，即测得10T x ，然后将计得的数除以10就等于一个周期T x 的数。两相邻周期由于触发误差产生的T 是相互抵消的，比如第一个周期T x1终了，由于干扰V n 使T x1减小T 2，则第二个周期却由于V n 使T x2增加T 2。所以当测10个周期时，只有第一个周期开始产生的转换误差T 1和第十个周期终了产生的T 2才产生测周误差（T 1）（T 2）姨（10个周期引起的总误差），因此一个周期误差为（T 1）（T 2）姨10，减小到十分之一。提高信噪比V m V n ：由上文可知，信噪比V m V n 越高，转换误差就越小，所以在测量过程中应尽可能提高信噪比V m V n 。参考文献1杨吉祥，等电子测量