低频数字式相位测量仪2

://elecfans电子发烧友://bbs.elecfans电子技术论坛1-电子竞赛——低频数字式相位测量仪目录摘要………………………..…...1设计任务与设计要求………………………...………….21.1设计任务……………………..………21.2设计要求………………………….….2基本要求………………………2发挥部分…………….………...2二．相位测量………………2……………………...……3…………………..…….器件选择……………….…………..……..3相位比较电路………….………4CPU与外围电路………………...5键盘与显示电路…………….…...6直流稳压电源电路…………..…..62.4测试方法与测试结果………………7相位测试方法…………………...7相位测试结果…………………7测量工具…………………………7频率测量方案……………7方案选择与论证…………………….73.2硬件电路设计……………………….93.3频率测量测试及结果……………….9测量工具………………………...…10移相网络电路参数计算……………104.1移相网络电路框图…………………104.2移相网络电路参数计算…………104.3移相网络测试……………………...124.4测量工具…………………………...12发挥部分数字移相信号发生器………………………..12…………………………..12六．系统软件设计………………..15七．总的结果分析…………………16八．结论……………16附录：移相信号发生器电路…………………….1710-03设计题目：低频数字式相位测量仪参赛队员：刘传登韩春鹏王忠杰指导教师：车新生摘要本设计实现的是对两列信号的相位差的精确测量并数字显示测量结果。为达到要求的精度本设计采用了将相位转换为直流电压的间接测量方法。用16位A/D对输出的直流电压进行采样，送入单片机进行相位显示。这样就使得相位差就具有足够高的分辨度，完成了任务要求。在单片机P89C51实现以上功能的同时，利用单片机中的多位计数器/定时器对输入信号进行等精度频率测量。为测量方便，又制作了移相网络电路，设计了移相信号电路和应用程序。整个装置具有原理简单，测量精度高,测量范围宽，测量结果显示直观的特点。关键词：相位测量等精度测量移相网络设计任务与要求设计任务设计并制作一台低频相位测量系统，包括相位测量仪，数字式移相信号发生器和移相网络三部分。1.2设计要求基本要求（1）设计并制作一个相位测量仪a．频率范围：20Hz～20KHz。b．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V～5V范围内变化。c.相位测量仪的输入阻抗≥100K。d.相位测量绝对误差≤。e.具有频率测量及显示功能。f.相位差数数字显示：相位读数为～，分辨力为。（2）移相网络a．输入信号频率：100Hz，1K，10Kz。b．连续相移范围：～～5V范围内变化。十进制数字显示，显示刷新时间1～10秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。发挥部分（1）设计并制作一个数字式移相信号发生器（2）～5V范围。（3）用数字移相信号发生器校验相位测量仪。二．相位测量测量相位的方法很多，总的来讲无外乎以下几种：直接使用示波器，相位差转换为电压，与标准移相器比较（零示法），相位差转换为时间间隔，或模拟或数字，但总是存在这样或那样的不足，下面介绍两种基于单片机的测量相位差的方法。方案一：直接应用P89C51自身的沿捕捉功能使用单片机P89C51RD2中PCA模块的捕获模式对输入信号进行沿捕捉。将CCAPMn中的位CAPN和/或CAPP置位，CEXn输入的信号出现上升或下降沿时PCA硬件将PCA计数器寄存器CH和CL的值装入模块捕获寄存器（CCAPnL和CCAPnH）与此同时置位CCFn标志如果CCAPMn中的ECCFn位已经置位则会产生中断。图1PCA捕获模式当输入信号产生中断时，片内两个16位计数器/定时器T0与T1开始计数，直到另一列输入信号到来产生沿中断时，计数器T0停止计数，而计数器T1不停。设此时已计数数值为N0。当产生触发T1工作的信号的下一个沿中断到来时，T1停止计数，设此时T1计数数值为N1。则相位差的表达式为（）该方案几乎不需要其它硬件结构，测量简单，且易于智能化显示与测量。但由于单片机晶振不能非常的高，运行速度比较慢，当频率较高时，该方案的精度较差。分辨率远小于的要求。当要求不高时，此方案无非有着极大的优势方案二：将相位转换为时间间隔法将两列同频正弦波信号经各自的脉冲形成电路后，得到正弦波从负到正的过零跳变窄脉冲，然后接到双稳态触发器的两个触发输入端。第一列信号的脉冲到达时将输出置1，第二列信号到达时将输出置0，这样就将相位差转换为输出信号的占空比。占空比从0～1，就对应相位差从～。再将占空比整流，形成直流电压，而电压的的大小就对应着占空比的大小，即相位差的大小。用16位A/D对直流电压采样进行数字显示，这样就将相位差一数字的形式显示。由于将相位差进行了分份，这就使得测量精度非常高，小于。方案的实现输入的正弦波信号首先经过零触发器形成TTL电平,然后讲该方波进入微分电路提取边上升沿触发脉冲。由于双稳态触发器是低电平触发，故还需将该脉冲经反响器输出。在触发脉冲的作用下，双稳态触发器输出占空比与信号相位差一致的TTL电平。将此电平经模拟开关并进行整流滤波后输出直流电压。用16位A/D7705进行采样后输入单片机即完成相位差的测量。图2相位测量电路框图2.3相位测量硬件电路设计与器件选择相位比较电路为提高输入阻抗，在相位测量仪的输入前段电路加入有放大器LM358构成的射极跟随器。输出的正弦波信号经过零比较器LM393输出。由于比较器输出端上拉电阻的作用，输出TTL电平。此时的波形为方波。频率测量既由此引出。两列输入信号相位的比较是通过双稳态触发器实现的。其工作原理是：将D触发器时钟信号输入端与数字信号输入端D接地。此时Q的输出状态由置位与复位端的电平决定。而此两控制端均在低电平起作用。为使二者不产生竞争，当一端起作用是，另一端就必须处于高电平状态，这就要求二者的触发信号，必须是宽度很窄的负脉冲信号。为使频率为20K的信号相位的分辨率小于，脉宽要小于输入信号周期的才可以。即时间脉宽<s。但为保证信号触发要求脉宽与副值也不应该太小，以免触发器不能触发。图3正弦波相位比较电路CPU与外围电路图4相位，频率测量CPU控制电路为保证相位测量的精度，尽可能的减少来自外部与自身电路的干扰，特将此部分电路设计成用光电偶合起分开的形式。来自前端相位比较电路的信号经模拟开关进行整幅，使之高电平为基准电压4.98V，低电平为0V，以便于后期参数的测量。整幅后的波形再经整流滤波，形成直流电压，对于不同的占空比输入直流电压在0V～4.98V之间变化。如果能将该电压范围分成的份数大于3600，相位差的精度就优于。所以用16位A/D进行采样，理论上精度远远大于。键盘与显示电路显示器由八个LED数码管组成，为更好的显示，节省I/O口线以及期待更好的显示扫描效果，这里采用MAX7219作为显示器的驱动，并可以对LED的亮度进行调节。图5显示电路直流稳压电源电路供电电源输入220V，50Hz交流电，主要作为整个电路的供电使用，最大电流约650mA，C1用于充放电为7805与7905提供工作电压的,频路是100Hz充放电时间为10ms.由于充电非常快,所以近似认为放电时间是10ms.时间常数为RLC1,其中7805的RL近似认为8.2欧.（）放电时间T=10ms（）（）C1=1902U在实际电路中C1=2200uF另外，由于7805负载功耗大，需加装散热片。图6稳压电源电路测试方法与测试结果相位测试方法利用移相信号发生器产生有一定相位差的两列同频信号接在相位测量仪的输入端，将相位测量仪显示的相位差数字与移相信号发生器的预置数字相比较，求出误差。用电阻表测量测量仪的输入阻抗。测试结果表相位差测量仪性能测试标准值测量值误差测量工具双通道示波器6502波形发生器AFJ310函数发生器SJ1645三．频率测量方案方案一：电子计数法测量频率图3为传统数字频率计，它采取直接测频法，测频率时将频率信号接在A端，高精度晶体振荡器接在B端，利用电子计数器严格按照式f=N/T所表达的频率的定义进行直接测量频率。由于其闸门开启时间在一个频率段内是固定的，为保证测量精度,要进行周期频率测量转换。周期测量时，A端接入高精度晶体振荡器，B端接入被测信号。这样一来,如果输入信号频率的动态范围较大时如要考虑精度的问题,就需要频繁地人工切换测频和测周方式。而这两种方式的显示单位又不同,这就给观察频率地连续变化带来了极大的不便。这里不予采用。图7简易数字频率计方案二：基于单片机的频率等精度测量本方案采用新的测频方法：软件控制的等精度数字测频。原理图如下：频率T0计数N1频率T0计数N1T1计数N2T1计数N2图8等精度测量原理框图利用单片机P89C51的T0，T1口构成多位计数器,将单片机自身中断INT1设置为边沿触发方式。当输入信号到达时，输入脉冲同时也被引到INT1脚,在脉冲的下跳沿产生一个中断请求，计数器T0，T1对输入信号的周期计数和闸门时间宽度计时，使测量闸门的时间宽度随输入信号自动可变，从而保证在直接测频方法下，不同的频率测量精度是一致的。此方法应用硬件少，结构简单，测量精度取决与晶振的精度，故测量精度比较高，而且高低频率的测量精度是一致的，故不需进行频率周期转换。通过以上方案的比较，可以看出后者更具优势。新测量方法的应用，使的频率测量变的简单易于操作。故本次设计采用第二种方案。方案的实现P89C51单片机具有两个16位的定时器/计数器T1和T0,单片机的外部中断功能可方便地实现闸门开关与被测信号的跳变沿同步;利用单片机的数据运算能力可编制相应的乘除法程序,并实现测量结果的等精度显示。等精度数字测频装置的最简原理图如图5所示。设在t0时刻系统开始进行初始化,T1和T0分别设置为计数器和定时器来对输入信号和时标信号进行计数,它们的初始值均为0。时标信号的频率在单片机内固定为单片机P单片机P89C51INT1T1显示整形电路整形电路fx图9单片机控制等精度频率测量电路原理框图fc=fosc/12,fosc为单片机的时钟频率。外部中断INT1通常可设置为边沿触发,开放INT1和T0的中断允许。在t1时刻,输入信号的跳变沿产生第一次INT1中断时,开放T1和T0的计数闸门并关闭自身的中断允许。当T0计数满溢出时,可在t2时刻产生T0中断,记录自身的中断次数n,再次开放INT1的中断允许。T0溢出后将从0开始继续计数,直到t3时刻由输入信号产生第二次INT1中断,然后关闭T1和T0以完成一次测量过程。T1中的计数值代表了输入信号完整的N1个周期。设T0中的“剩余”读数为N2’。则被测信号的频率可由下式计算:fx=N1/[12(65536n+N2’)/fosc]。为了保证计算精度和数据的有效位数,可采用浮点乘除法运算。用测频法测频时,定时/计数器的计数时间间隔由软件延时完成,理论上定时的时间可以达到无穷大,即fs1可达到足够低,因此,fx1可达到无穷小,可以认为测频法的测频范围只有上限频率而没有下限频率。对于测频法,单次测量的测量测量装置的测频上限为fosc/243.2硬件电路设计整形电路见图3中的过零比较器电路，单片机电路见图4中的CPU电路。3.3频率测量测试及结果用函数发生器产生20Hz～20Kz的信号，用标准频率计测得标准频率与设计频率计相比较，求出误差。表频率测量标准值20Hz100Hz500Hz1KHz5KHZ20KHz测量值误差3.4测量工具波形发生器AFJ310四．移相网络电路电路参数计算4.1移相网络电路框图正弦波输入信号经高通移相网络后，产生相位差>的移相信号；经低通移相网络后，产生相位差<的移相信号。当正弦波以某一固定频率输入时，如果经高通网络产生>的相移，经低通网络产生<的相移，则当高通电路与低通电路之间的电位器在两端移动是，输出的就是相位差在～的移相信号。图10移相网络框图图11移相网络电路图本设计直接采用题目中提供的移相网络方案，但为使不同输入信号的相移范围很好的集中，当输入信号频率不同时，切换移相网络中的元件参数。下面进行参数的粗略计算。设输入电压为Uo,高通电路电压输出为Ui2，低通电路电压输出为Ui1，放大倍数为Au则对与高通电路有（）式中为输入信号的角频率，RC为回路时间常数，令则（）所以（）即相角（）即频率越低高通电路发生的相移越大。当时，角度相差。如果，。所以是计算参数的界限点。此时。对低通电路有（）同样设为输入信号的角频率，RC为回路时间常数，令，则（）代入式（.5）可得（）幅角（）即频率越高低通电路发生的相移越大。当时，角度相差。如果，。所以是计算参数的界限点。此时。设输入信号频率为100Hz，则在高通网络中,在低通网络中则大于该值。是参数确定的依据。如果确定C=104,则R=15.9K。为使移相范围大于～，则在高通电路中使电阻小于15.9K，在低通电路中大于15.9K。为了移相范围有一定的增加，这里分别选用12K与20K的电阻。当输入1K，10K的信号时，保持电阻不变，将电容值缩小为原来的十分之一（103）与百分之一（102）即可。这样三种信号的相移范围相同，在～左右。4.3．移相网络测试用函数发生器分别产生100Hz，1KHz，10KHz正弦信号，用示波器观察移相前后的相位差。信号输入频率相移范围电压可调范围100Hz1KHz10KHz双通道示波器6502波形发生器AFJ310发挥部分数字移相信号发生器方案论证数字移相技术的核心是：先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。移相方案主要有以下几种。方案一：利用D/A转换实现相移图12D/A转换移相框图将正弦波信号数字化，并形一张数据表存入ROM芯片中，此后可通过两片D／A转换芯片在单片机的控制下连续地循环输出该数据表，就可获得两路正弦波信号。当两片D／A转换芯片所获得的数据序列完全相同时，则转换所得到的两路正弦波信号无相位差，称为同相。当两片D／A转换芯片所获得的数据序列不同时，则转换所得到的两路正弦波信号就存在着相位差。相位差的值与数据表中数据的总个数及数据地址的偏移量有关。这种处理方式的实质是将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值。。此方案相位调节比较简单，但转换所用的数据为256个8位字长的数据，即一个信号周期有256个转换值，输出信号的频率难以细调，特别是移相的最小单位太大(／步)，不满足题目相位步进要求。方案二：加锁相环的基于单片机的移相电路图13方波移相框图作为参考信号的A，经整形后得到方波信号a，再利用锁相技术对a作3600倍频，并将此倍频信号作为单片机中CTC的计数脉冲，以此来产生相移和测量移相的实际值。在锁相环允许的频率范围内，计数脉冲始终是a信号的3600倍，可以看成是将a信号的一个信号周期分为了3600份，若一个信号周期为，那么在一个信号周期内每个计数脉冲即代表。我们只需以a信号为参考，延时若干个计数脉冲的时间来产生c信号即可做到移相，改变延时计数脉冲的个数即可改变相位差，记录两个信号的上沿(或下沿)间的脉冲个数就获得两信号的相位差。锁相环的存在，使得移相信号B与参考信号A的频率完全相同。锁相环倍频的频率愈高则移相的最小单位愈小，若作7200倍频，那么在一个信号周期内每个计数脉冲即代表。此方案可实现高精度相位差步进（移相的最小单位可小于／步），但锁相及波形变换电路的加入使得其硬件电路比较复杂，且高倍频锁相环的不稳定性，故不适合大赛现场制作。但可以作为实际生产使用。方案三：地址生成器与外ROM构成的信号发生器由于单片机速度的限制，为实现高频率信号的产生，此方案采用硬件电路实现波形输出原理框图如下：图14自动波形输出电路框图将正弦波的采样点存在外ROM中，当单片机向地址发生器发出控制信号后，地址发生器便