低頻數(shù)字式相位測量儀(全國一等獎(jiǎng)作品)

1、低頻數(shù)字式相位測量儀（全國一等獎(jiǎng)作品）摘要：本設(shè)計(jì)以凌陽16位單片機(jī)S PCE061A 和Lattice 公司的CPLD ispLSI 1032E 為核心，由相位測量、移相網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字式移相信號發(fā)生器三個(gè)子系統(tǒng)組成。采用CPLD 與單片機(jī)相結(jié)合的方法，充分利用單片機(jī)豐富的資源以及CPLD 的高速特性，大大地拓寬了系統(tǒng)的工作頻帶，提高了系統(tǒng)的靈敏度和精確度, 使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。利用紅外鍵盤使系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離無線控制。關(guān)鍵詞：相位測量，移相，CPLD ，DDS一 方案論證與設(shè)計(jì)1 相位測量儀方案方案一：單周波計(jì)數(shù)法。將有相位差的兩路方波信號進(jìn)行”異或”后作為閘門，在高電平時(shí)，利用外部高頻信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，在

2、下降沿將數(shù)據(jù)讀出，低電平時(shí)對計(jì)數(shù)器清零。設(shè)晶振頻率為f c ，測得信號的頻率為f r ，計(jì)數(shù)值為N ，則相位差phase 為o cr N f f phase 180= 方案二：定時(shí)間計(jì)數(shù)。將高頻時(shí)鐘信號和兩路信號異或得到的信號進(jìn)行“與”，在設(shè)定時(shí)間s 內(nèi)利用其上跳變沿計(jì)數(shù)，設(shè)高頻時(shí)鐘頻率為f c ，計(jì)數(shù)值為N ，則o csf N phase 180= 方案三：多周期同步計(jì)數(shù)法。設(shè)被測信號的頻率為f ，則將一被測信號進(jìn)行f 1倍（f 取整）分頻，則在f 1周期內(nèi)(保證測量時(shí)間在1s 左右 ，被測信號異或與參考高頻信號相與的信號singal1的計(jì)數(shù)為N 1, 同時(shí)期參考高頻信號的計(jì)數(shù)為N ，則o

3、NN phase 1801= 以上三種方案都可以采用一個(gè)D 觸發(fā)器將相位測量的相位擴(kuò)展到o 0-o 360。方案一需高速時(shí)鐘，按題目要求，在20kHz 信號時(shí)的相位差分辨率為0.1o ，則要求時(shí)鐘最少為72MHz ，實(shí)現(xiàn)困難。而方案二測量時(shí)間段一定，存在遺漏01個(gè)周波的情況，從而引入較大的誤差。方案三的讀數(shù)與異或得到的信號同步，不存在遺漏問題，誤差很小，故采用此方案。2 移相信號發(fā)生器頻率合成器方案方案一：采用函數(shù)發(fā)生器8038?？梢酝瑫r(shí)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波，頻率可由調(diào)制電壓控制，但此方案難以實(shí)現(xiàn)相移，而且輸出頻率不穩(wěn)定。方案二：采用直接數(shù)字頻率合成（DDFS ）方案。用存儲器存儲所須的波

4、形量化數(shù)據(jù)，采用不同時(shí)鐘頻率的地址計(jì)數(shù)器，根據(jù)計(jì)數(shù)值讀出存儲器中的量化數(shù)據(jù)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后濾波整形輸出。此方案可以很好地控制兩路波形的相位差以及頻率。經(jīng)上述比較，我們采用方案二。 幅度控制方案一：利用可調(diào)電位器手動調(diào)節(jié)電壓幅值。方案二：通過控制D/A的參考電壓控制輸出波形的幅度。參考電壓可通過對另一D/A置數(shù)從而輸出不同電壓，進(jìn)而控制輸出波形的幅度。方案二可以預(yù)置幅值，并且比較精確，方便操作，故選方案二。經(jīng)上面方案論證，我們采用如下的系統(tǒng)方案： 圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖二 理論分析與計(jì)算1 相位測量子系統(tǒng)將待測波形經(jīng)整形后變成數(shù)字信號，再對其進(jìn)行頻率及相位測量。 整形電路正弦信號經(jīng)同相跟隨后再放大一

5、定倍數(shù)，可減小其上升時(shí)間，經(jīng)過遲滯比較后輸出同頻率的方波信號，為了使兩路方波信號的相位差與輸入的兩路正弦信號相位差相同，兩整形電路的參數(shù)須選得一致，保證相移相同。為使信號上升沿陡度，經(jīng)一級非門輸出可得到上升時(shí)間為50ns 左右的方波。運(yùn)放采用OP37，比較器采用高精度的LM311。電路如圖2所示。 圖2 整形電路相位測量 圖3 相位測量硬件電路兩路被測信號異或后再與計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號“與“得到的信號1和高頻計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號2，利用信號1、2上升沿計(jì)數(shù)，通過單片機(jī)控制計(jì)數(shù)周波數(shù)，再根據(jù)兩計(jì)數(shù)值計(jì)算出相位差。電路圖如圖3所示，采用兩片8254級聯(lián)，組成了32位計(jì)數(shù)器，大大提高了系統(tǒng)的精度。對輸入信號進(jìn)行N

6、倍分頻（由單片機(jī)對8254進(jìn)行控制），則可使讀出N 個(gè)整周波內(nèi)的計(jì)數(shù)值，很大地減小了誤差。采用一個(gè)D 觸發(fā)器檢測相位的超前與滯后使相位擴(kuò)展到o 0-o 360。2 數(shù)字式移相信號發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDFS ），用兩片EPROM27128，存儲相同的波形數(shù)據(jù)，分別由兩路有設(shè)定數(shù)據(jù)差值的地址數(shù)據(jù)尋址即可輸出有設(shè)定相移的兩路波形。圖4是基于CPLD 的DDFS 技術(shù)原理框圖。 圖4 基于CPLD 的DDFS 實(shí)現(xiàn) CPLD 的頻率和相位控制控制框圖如圖5： 圖5 頻率和相位控制框圖 存儲器及D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)單片機(jī)對控幅D/A（DA0832）置數(shù)為D7D6D5D4D3D2D1D0，則DA

7、C0832給AD7524的參考電壓為5. 2256 圖6 DDFS 電路3模擬移相網(wǎng)絡(luò)原理分析可調(diào)電阻3p R 下端電位為：jwCR jwC V V in +=下上端電位為：jwCR R V V in +=上（V in 為輸入信號，w 為輸入信號的角頻率）。通過調(diào)節(jié)電位器R P3來改變比例常數(shù)A 、B ，從而改變輸出信號的相位。通過調(diào)節(jié)電位器RP1和RP2改變輸出信號幅度，矢量圖如圖10。 輸出電壓 ( (21111V B A j B A V j V B j V A V B A V in in in OUT -+=-+=+=下上 圖7 移相矢量圖根據(jù)題目要求，將100Hz 、1kHz 、10k

8、Hz 時(shí)的電阻分別設(shè)為16k,1.6k和160，電容不變，則電位器上下端電位均相對輸入信號產(chǎn)生45o 的相移。 三 系統(tǒng)操作說明及軟件設(shè)計(jì)1 系統(tǒng)操作說明采用紅外遙控鍵盤，有10個(gè)數(shù)字鍵，六個(gè)功能菜單選擇鍵。其中，功能鍵為：頻率，幅值（兩個(gè)按鍵），相位，返回，換位，數(shù)字鍵為09十個(gè)數(shù)字量。頻率鍵、幅值鍵、相位鍵分別為信號設(shè)定頻率、幅度、相位，其中，兩個(gè)幅值鍵分別為兩路信號設(shè)定幅值。換位鍵用于數(shù)字換位（如從十位換到百位）利用數(shù)字鍵設(shè)定頻率、幅度、相位時(shí)，須按返回使設(shè)定生效。2 軟件設(shè)計(jì)流程軟件設(shè)計(jì)分為波形產(chǎn)生和相位測量兩個(gè)模塊：波形產(chǎn)生模塊此模塊用來控制CPLD 對EPROM 尋址輸出波形以及波

9、形幅度，流程如圖8。 圖8 波形產(chǎn)生模塊軟件流程相位測量模塊 此模塊完成對相位和頻率的測量并將結(jié)果送往液晶顯示。流程圖如圖 9 所 示。 圖 9 相位測量模塊軟件流程圖 四 測試測量 1 測試儀器 （1）FLUKE17B 多功能數(shù)字萬用表 （2）Tektronix TDS1002 60MHz 雙通道數(shù)字示波器 （3）YB1620P 功率函數(shù)發(fā)生器 （4）CA164OP20 型函數(shù)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器 （5）BS1905 工頻電參數(shù)測試儀 2 測試方法 先分別調(diào)試各單元電路，然后進(jìn)行整機(jī)調(diào)試： 數(shù)字移相信號發(fā)生器調(diào)試 通過紅外鍵盤輸入頻率、相位、幅度，由示波器讀出頻率、幅度，用相位測 量儀進(jìn)行測量。

10、相位測量儀調(diào)試 由 BS1905 工頻電參數(shù)測試儀輸入兩路可設(shè)定相位差的信號， 通過 BS1905 工 頻電參數(shù)測試儀的顯示值與相位測試儀的測得值比較。 移相網(wǎng)絡(luò)調(diào)試 由函數(shù)發(fā)生器輸入 100Hz、1kHz、10kHz 的正弦信號，將輸入與輸出信號進(jìn) 行比較， 對不同頻率通過撥碼開關(guān)對電阻換檔。 測得相移為-44.2o+44.5o 間可調(diào)。 整機(jī)調(diào)試 將數(shù)字移相信號發(fā)生器輸出經(jīng)自制相位測量儀進(jìn)行測量，改變幅值，將設(shè)定 值與測得值進(jìn)行比較。 3 測試數(shù)據(jù) 6 表一 信號發(fā)生器數(shù)據(jù)檢測 設(shè)定頻率 （Hz） 20 100 1000 10000 20000 30000 實(shí)際頻率 （Hz） 19.99

11、99.99 999.95 9995 19960 29990 頻率誤差 （Hz） 0.01 0.01 0.05 5 40 10 設(shè)定幅值 （V） 1.50 1.50 2.50 2.50 2.50 2.50 實(shí)際幅值（V） 1.48 1.48 2.50 2.50 2.50 2.56 幅值誤差 (V 0.02 0.02 0 0 0 0 表二 f20Hz 時(shí)相位測量 設(shè)定相位（度） 0 45 90 180 270 350 測量相位（度） 359.9 44.5 89.3 179.5 269.8 349.4 絕對誤差（度） 相對誤差（%） 0.1 0.5 0.7 0.5 0.2 0.6 1.1 0.78

12、0.28 0.07 0.17 表三 f50Hz 時(shí)相位測量 設(shè)定相位 （度） 0 45 90 180 270 350 測量相位 0 44.5 89.4 179.1 269.9 359.6 誤差 (% 0 0.5 0.6 0.9 0.1 0.4 表四 f1Hz 時(shí)相位測量 設(shè)定相位 （度） 0 45 90 180 270 350 測量相位 359.4 44.2 89.1 179.0 269.6 349.3 誤差 (% 0.6 0.8 0.9 1.0 0.4 0.7 表五 f20kHz 時(shí)相位測量表 設(shè)定相 測量相 位（度） 位 0 45 90 180 270 350 2.4 42.7 87.6

13、176.5 267.9 346.5 誤差 (% 2.4 2.3 2.4 3.5 2.1 3.5 表六 f10kHz 時(shí)相位測量 設(shè)定相 測量相 位（度） 位 0 45 90 180 270 350 1.4 44.3 89.2 181.7 269.2 348.9 誤差 (% 1.4 1.7 0.8 1.7 0.8 1.1 7 表七 相位計(jì)與波形產(chǎn)生器聯(lián)合測試 U1（V） U2 （V） 輸出頻率 （Hz） 2.50 2.50 5.00 5.00 5.00 1.00 0.30 0.30 5.00 5.00 1.50 1.50 1.50 1.50 1.00 5.00 5.00 5.00 0.30 0.

14、30 1000 1000 2000 5000 100 100 1000 1000 1000 100 測量頻率 （Hz） 1000 1000 1999 5000 100 100 1000 1000 1000 103 輸出相差 （deg） 225.0 60.0 60.0 60.0 90.0 180.0 75.0 90.0 270.0 270.0 測量相差 （deg） 224.7 59.1 58.7 59.0 88.7 181.1 78.0 93.0 267.3 266.5 誤差 （deg） 0.3 0.9 0.3 1.0 1.3 1.1 3.0 3.0 2.6 3.5 4 數(shù)據(jù)分析 相位測量儀頻率

15、較高時(shí)，由于脈寬較窄使計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生誤差；由于信號經(jīng)過 遲滯比較器整形成方波時(shí)，在輸出電壓一致的情況下，電壓幅值不同產(chǎn)生的相移 不同，使測量相位產(chǎn)生較大相位誤差；相位測量的誤差主要來源為以上兩方面。 相移網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生相移時(shí)，由于電阻電容參數(shù)的差異性較大使得相移不完全對 稱。 五 結(jié)束語 本設(shè)計(jì)成功地結(jié)合了單片機(jī)和 CPLD 的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)工作頻帶大大拓寬， 特 別是數(shù)字式移相信號發(fā)生器，輸出頻率精確，幅度誤差小，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。 但從測量數(shù)據(jù)來看，相位測量儀的誤差較大，這主要是由于整形電路參數(shù)不可能 完全一致，從而帶來相位誤差。對于整形誤差可以采用測量兩被測信號的幅值， 然后利用這兩幅值和遲滯比較

16、電平對相位差進(jìn)行軟件校正， 可以提高相位測量的 精度。 六 參考文獻(xiàn) 1 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品選編(19941999， 2001.北京：北京理工大學(xué)出版社，2003. 2 王振紅.VHDL 數(shù)字電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)踐教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003. Abstract The system equips 16 bits SCM-SPCE061A and CPLD ispLSI 1032E as kernel and phase measuring apparatus， waveform generator part， includes three sub