低频数字式相位测量仪(余蜜) 10页

电子测量原理低频数字式相位测量仪班级:电子信息工程姓名:何静峰学号:20114075158日期:2014年4月15日 系统方案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,则相位差phase为frophase=—N180ofc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,则.N…。phase=——180sfc方案三：多周期同步计数法。设被测信号的频率为f,则将一被测信号进行fi倍（f取整）分频，则在fi周期内（保证测量时间在1s左右），被测信号异或与参考高频信号相与的信号singal1的计数为N1,同时期参考高频信号的计数为N,则N1ophase180N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0o-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°,则要求时钟最少为72MHz,实现困难。而方案二测量时间段一定，存在遗漏0~1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。2移相信号发生器 ⑴频率合成器方案方案一：采用函数发生器8038。可以同时产生正弦波、三角波、方波，频率可由调制电压控制，但此方案难以实现相移，而且输出频率不稳定。方案二：采用直接数字频率合成(DDFS)方案。用存储器存储所须的波形量化数据，采用不同时钟频率的地址计数器，根据计数值读出存储器中的量化数据，再经D/A转换后滤波整形输出。此方案可以很好地控制两路波形的相位差以及频率。经上述比较，我们采用方案二。⑵幅度控制方案一：利用可调电位器手动调节电压幅值。方案二：通过控制D/A的参考电压控制输出波形的幅度。参考电压可通过对另一D/A置数从而输出不同电压，进而控制输出波形的幅度。方案二可以预置幅值，并且比较精确，方便操作，故选方案二经上面方案论证，我们采用如下的系统方案:液形产生设计技术指标(1)相位测量仪a.频率范围：20Hz〜20kHz。b.相位测量仪输入阻抗＞100k c.两路输入正弦信号峰-峰值在1V〜5V范围。d.相位测量绝对误差W2；e.具有频率测量及数字显示功能。f.相位差数字显示：相位读数为0o~359.9o,分辨力为0.1"2（2）移相网络a.输入信号频率：100Hz、1kHz、10kHz。b.连续相移范围：一45°〜+45°。c.A，、B，输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V〜5V范围内变化。（1）数字式移相信号发生器a.频率范围：20Hz〜20kHz,频率步进为20Hz,输出频率可预置。b.A、B输出正弦信号峰-峰值在0.3V〜5V范围。c.相位差范围为0〜359°,相位差步进为1°,相位差值可预置。d.数字显示预置的频率、相位差值。（2）在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输入正弦电压峰-峰值至0.3V〜5V范围。（3）用数字移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位差值和不同幅度进行校验。图如下： 图1相位恻量仪图3数字式移相信号发生器图2移相网络具体实施方案1相位测量子系统将待测波形经整形后变成数字信号，再对其进行频率及相位测量。(1)整形电路正弦信号经同相跟随后再放大一定倍数，可减小其上升时间，经过迟滞比较 后输出同频率的方波信号，为了使两路方波信号的相位差与输入的两路正弦信号相位差相同，两整形电路的参数须选得一致，保证相移相同。为使信号上升沿陡度，经一级非门输出可得到上升时间为50ns左右的方波。运放采用OP37,比较器采用高精度的LM311。电路如图2所示。图2整形电路⑵相位测量BE5HAxMErtessAa*艮葭M葭心靠北OTTDCLK曲txrri冰TXIDUUiowniMKES5£金■OUTOOv4TEniClLKdOUTICMTilC—^一£i・*d不工，・m母txmIMTZ3CLK^4KD图3相位测量硬件电路两路被测信号异或后再与计数时钟信号”与“得到的信号1和高频计数时钟信号2,利用信号1、2上升沿计数，通过单片机控制计数周波数，再根据两计数值计算出相位差。电路图如图3所示，采用两片8254级联，组成了32位计数器，大大提高了系统的精度。对输入信号进行N倍分频（由单片机对8254进行控制），则可使读出N个整周波内的计数值，很大地减小了误差采用一个D触发器检测相位的超前与滞后使相位扩展到0o-360°。 2数字式移相信号发生器采用直接数字频率合成技术(DDFS),用两片EPROM27128,存储相同的波形数据，分别由两路有设定数据差值的地址数据寻址即可输出有设定相移的两路波形。图4是基于CPLD的DDFS技术原理框图。图4基于CPLD的DDF弦现⑵CPLD勺频率和相位控制控制框图如图5:图5频率和相位控制框图⑶存储器及D/A转换电路设单片机对控幅D/A(DA0832)置数为D7D6D5D4D3D2D1D0，贝UDAC0832给AD7524的参考电压为 VrefD72D62—5_4_3_2_D52D42D32D22DI父2.5256输出波形的幅值为2VrefooIs3PGMVT"I"WK11WR2[LEmDl雷案凿A741^4图6DDFS电路a星I"VwfirwIcmM73模拟移相网络原理分析可调电阻Rp3下端电位为:上端电位为：V±=VinX-R一（Vin为输入信号，w为输入信号的角频率）R+jwC通过调节电位器RP3来改变比例常数A、B,从而改变输出信号的相位。通过调节电位器RP1和RP2改变输出信号幅度，矢量图如图10。图7移相矢量图输出电压VouT=A7上+BXV下11=AVinBVin1j1-jVinU((AB)-j(A-B))2 根据题目要求，将100Hz、1kHz、10kHz时的电阻分别设为16kQ,1.6k刎160Q,电容不变，则电位器上下端电位均相对输入信号产生45。的相移。1系统操作说明采用红外遥才S键盘，有10个数字键，六个功能菜单选择键。其中，功能键为：频率，幅值（两个按键），相位，返回，换位，数字键为0~9十个数字量。频率键、幅值键、相位键分别为信号设定频率、幅度、相位，其中，两个幅值键分别为两路信号设定幅值。换位键用于数字换位（如从十位换到百位）利用数字键设定频率、幅度、相位时，须按返回使设定生效。2软件设计流程软件设计分为波形产生和相位测量两个模块：⑴波形产生模块此模块用来控制CPLD对EPROM寻址输出波形以及波形幅度，流程如图8。频率控制相位设定A相幅值设定B相幅值设定图8波形产生模块软件流程⑵相位测量模块此模块完成对相位和频率的测量并将结果送往液晶显示。流程图如图9所示。开始 图9相位测量模块软件流程图关键技术难点本设计成功地结合了单片机和CPLD的优点，使系统工作频带大大拓宽，特别是数字式移相信号发生器，输出频率精确，幅度误差小，系统运行稳定可靠。但从测量数据来看，相位测量仪的误差较大，这主要是由于整形电路参数不可能完全一致，从而带来相位误差。对于整形误差可以采用测量两被测信号的幅值，然后利用这两幅值和迟滞比较电平对相位差进行软件校正，可以提高相位测量的精度。