【畢業(yè)學位論文】(Word原稿)低頻數(shù)字式相位測量儀制作報告-控制理論與控制工程

123 低頻數(shù)字式相位測量儀制作報告 摘 要 本系統(tǒng)由低頻數(shù)字相位頻率測量儀，輸入移相網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字式移相信號發(fā)生器組成。利用 片機控制模塊實現(xiàn)了高精度的頻率相位測量。數(shù)字式移相信號發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成（ 術(shù)，輸出頻率范圍寬，控制精度高。由于在 統(tǒng)中采用了雙 D/A 輸出形式，信號幅度采用數(shù)字調(diào)節(jié)方式，輸出信號幅度穩(wěn)定。移相網(wǎng)絡(luò)的輸入采用了自動增益控制（ 實現(xiàn)了高達 48寬范圍輸入，實現(xiàn)信號的自動穩(wěn)幅輸出。此外，本系統(tǒng) 友好的人機界面，合理實用的功能擴展，使整個系統(tǒng)更利于實際使用。 一 方案設(shè)計與論證 1. 相位頻率測量部分 方案一： 對輸入的兩路正弦信號分別進行過零比較，并對生成的兩路方波信號進行異或運算，得到占空比與相位差成正比的脈沖信號。將該正弦送入單片機系統(tǒng)，對信號的脈寬進行測量，經(jīng)計算得到輸入的兩路正弦信號的相位差。單片機系統(tǒng)直接對過零比較后的方波信號計數(shù)，得到輸入信號頻率。經(jīng)單片機系統(tǒng)處理后，顯示測量結(jié)果。此方案電路相對簡單，容易實現(xiàn)，但是受到單片機工作速度的限制，精度不高。 方案二 ： 對輸入的兩路正弦信號 分別進行過零比較，并對生成的兩路方波信號進行異或運算，得到占空比與相位差成正比的脈沖信號。 由計數(shù)結(jié)果送入單片機，單片機經(jīng)過簡單計算后顯示測量結(jié)果。此方案可以提高系統(tǒng)的測量精度，單片機要實現(xiàn)的功能相對簡單，可以實現(xiàn)友好的人機界 124 面。缺點是電路相對復雜，成本較高。系統(tǒng)框圖詳見 圖 2 綜合考慮，這里采用了方案二。 2. 移相網(wǎng)絡(luò)部分 方案一： 直接采用題目中提供的參考電路。此電路實現(xiàn)簡單，但對于不同幅度的輸入信號，不能做到自動穩(wěn)幅輸出。對于小信號輸入，無法滿足題 目輸出峰 5V 的要求，除非采用可變增益放大器，在沒有單片機控制的情況下，顯然帶來諸多不便。 方案二： 以題目中提供的參考電路為基礎(chǔ)，在信號輸入前端加入 自動增益控制電路（ ，以適應各種幅度的信號輸入。對于不同輸入頻率下，阻容網(wǎng)絡(luò)的切換，采用 擬開關(guān)，避免了機械開關(guān)的接觸不良等問題。并且考慮到實際情況，增加一個自定義移相頻率的模式。輸出采用運放跟隨，增強驅(qū)動能力。雖然此電路比方案一復雜，但功能比較完善，適合實際使用。 在這里，采用方案二。該方案系統(tǒng)框圖詳見 圖 2 3. 數(shù)字移相信號部分 方案一： 參考信號發(fā)生采用單片壓控函數(shù)發(fā)生器。 將參考信號整形為方波信號 ， 并以此信號為基準 ， 延時產(chǎn)生另一個同頻的方波信號 ，再通過波形變換電路將方波信號還原成正弦波信號 ， 以延時的長短來決定兩信號間的相位值。這種處理方式的實質(zhì)是將延時的時間映射為信號間的相位值。 方便的產(chǎn)生頻率可變的正弦波以及實現(xiàn)數(shù)控頻率調(diào)整，但是其頻率穩(wěn)定度低，步長控制難以達到理想效果。 延時 時間可以利用高速晶振來精確獲得，在 20，只需要 晶振即可以達到題目要求的 1 步進值 。此方案硬件電路比較 復雜。 方案二： 采用 字頻率合成技術(shù)。通過 單片機相結(jié)合的方式實現(xiàn)對頻率的控制。兩套 生器通過預置雙口 始地址來實現(xiàn) 0 360 相位差。通過雙 D/A 形式實現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)輸出峰 D/A 輸出濾波采用開關(guān)電容濾波器，其中心濾波頻率可由電 125 路外加時鐘控制。在單片機的控制下，頻率相位步進，峰值調(diào)整，頻率，相位差預置等都可以很容易的實現(xiàn)。整個系統(tǒng)在純數(shù)字下實現(xiàn)了設(shè)計的各項要求，各個受控量可以很容易的實現(xiàn)數(shù)字控制。原理框圖詳見 圖 2 綜上，采用第二種方案。該方 案原理框圖詳見 圖 2 二 系統(tǒng)原理框圖 經(jīng)過對系統(tǒng)相位頻率測量部分，輸入移相網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字式移相信號部分的設(shè)計比較，在滿足系統(tǒng)指標的基礎(chǔ)上，力求方案達到可實施性強， 功能完善，精度高的要求。 1. 相位頻率測量原理框圖 預放大過零比較頻率計數(shù)89輸 入 A G C 電 路 分壓跟隨輸出移相網(wǎng)絡(luò)C D 4 0 5 2 切 換分壓跟隨輸出自定義相移頻率電阻接口圖 2 126 3數(shù)字移相信號發(fā)生器原理框圖 相位累加器1D / A 轉(zhuǎn) 換 器開關(guān)電容濾波器開關(guān)電容濾波器 R A A 轉(zhuǎn) 換 器D / A 轉(zhuǎn) 換 器相位累加器2D / A 轉(zhuǎn) 換 器頻率控制字相位控制字開機初始化幅度控制幅度控制開關(guān)頻率開關(guān)頻率信號輸出信號輸出圖 2 主要電路設(shè)計與計算 1. 單片機小系統(tǒng)（電路圖詳見附錄） 系統(tǒng)板的設(shè)計以 8051 單片機為核心輔以 為了使系統(tǒng)更加靈活，在系統(tǒng)板上集成了一塊可編程邏輯器件 器件可 127 用來擴展 I/O 口和分配各個外圍器件的地址空間，并且可以方便實現(xiàn)各種邏輯，來滿足外圍器件的各種時序要求。由于其速度較高，可以完成一些高速的數(shù)據(jù)采集等工作。 單片機系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，它完成人機界面 、 系統(tǒng)控制 、 數(shù)據(jù)分析 、 處理 、 變換，是協(xié)調(diào)整機工 作的控制器。 成采集控制邏輯及顯示控制邏輯。由單片機控制 頻和測相位，處理接收的數(shù)據(jù)，顯示輸出。 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)板上加入了 門狗芯片。該芯片內(nèi)部集成了 256 常適合那些要求掉電期間保護少量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。 考慮到鍵盤應用的靈活性，鍵盤接口沒有采用 類專用芯片，而用一片 89片機專門負責 4 4 鍵盤的掃描，當發(fā)現(xiàn)有鍵按下時，它給主 送一個中斷，并且送出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過 到主 主 ，讀入數(shù)據(jù)并判斷鍵值。由于是我們自行編寫程序，各個鍵盤功能可以隨時更改。在實際應用中非常靈活。 顯示器件采用的是 司出品的型號為 液晶塊使用方便 ,易于編制易懂的中文分級菜單界面，人機交互性好。液晶的控制采用總線控制方式，不占用 I/O 口，通過系統(tǒng)板上集成的一塊可編程邏輯器件 滿足液晶對時序的各種要求，以實現(xiàn)液晶的總線模式控制。 2. 數(shù)字相位頻率測量儀 測量頻率與相位差，用可編程邏輯器件 現(xiàn)。測量時可編程邏輯器件需要與單片機通信并顯示實時測量數(shù)據(jù)，故將其做成單片機的外設(shè)，掛在總線上。通過并行方式利用控制字控制其完成測量頻率相位差判斷相序等功能。 1前端信號變換電路 電平變換采用 74見圖 3 128 圖 3了滿足題中不同的電平輸入要求和提高輸入阻抗，將信號同相放大 11 倍后（當輸入信號幅度較大時，放大后的信號會出現(xiàn)削頂失真，但這不影響下面的信號整形） ，由運放 行過零遲滯比較得到方波，經(jīng)反相器整成 平，送往 行測量。假設(shè)遲滯比較器運放 出低電平為 12V（實際小于該值），則運放輸出信號幅值 滿足3122 ，才能使遲滯比較器可靠翻轉(zhuǎn)。按照圖中參數(shù)，可得 慮到此信號是輸入信號的 11倍，故輸入信號的最小峰值約 足題目要求。事實上，增大 入信號峰值還可以繼續(xù)降低，但這樣抗干擾 能力亦會降低。 2頻率測量部分 頻率測量一般有測量周期和直接測量頻率兩種方法，本題將兩種方法結(jié)合使用，以達到較高的測量精度。 由于題目要求的是低頻，故只將頻率范圍擴展到105了提高頻率測量精度，我們將整個頻段分為10 55 105圍時直接測量頻率，取 5分界點的理論依據(jù)為用周期測量法測量時，頻率越高誤差越大，相反，直接頻率法測量時，頻率越低誤差越大?；鶞蕰r鐘脈沖為 20 5，周 期測量法誤差為 %001020 105 63 直接頻率法的誤差為 %00105 1 3 129 因此，以 5分界點進行頻率測量，可使相對測量誤差最大為%可達到所要求精度。 用周期測量法時，在 生成一個 24位的計數(shù)器，理論上可以測量到 020 24 6 0 滿足題目要求。原理如 圖 3 0 M H z 基 準 時 鐘數(shù)據(jù)輸出計數(shù)器接測量時，由 生 1s 鐘的門控信號，此時仍用同一內(nèi)部計數(shù)器，只是計數(shù)器的 由基準時鐘改接為被測信號，把計數(shù)器的接到單片機的 1s 門控信號，根據(jù)理論推算可以測量的最大頻率為 遠超出了 35足設(shè)計要求。原理如圖 3測信號脈沖數(shù)據(jù)輸出計數(shù)器s 門 控 信 號 圖 3相位差測量部分 題 目要求的相位讀數(shù)為 0量的絕對誤差 2，故采取周期測法測量相位差。這樣在 35的測量精度為 130 020360 36 可以滿足要求。當單片機測量相位差控制字有效時， 部時鐘的 到 20接到原始信號與側(cè)移信號的邏輯輸出端，由于側(cè)移信號由原始信號獲得，所以頻率是相等的，兩個上升沿之間不可能超過一個信號周期，因此，可以采用下面的方法進行測量：當原始信號上 升沿到達時， 高，開始記數(shù)，直到側(cè)移信號的上升沿到達，將 0，鎖定，計數(shù)器停止記數(shù)，單片機通過控制字將數(shù)據(jù)讀回，計算后顯示出相位差。原理如 圖 3 0 M H z 基 準 時 鐘 脈 沖數(shù)據(jù)輸出計數(shù)器本系統(tǒng)中， 作為單片機的一個外設(shè)來控制的，通過寫入不同的控制字， 現(xiàn)不同的功能。 內(nèi)部只做了一個計數(shù)器，周期，頻率及相位差數(shù)據(jù)都由同一個計數(shù)端提供，在完 成不同任務(wù)時，計數(shù)器的時鐘端 樣，就可以節(jié)省許多空間，使用一片 成該部分的制作。 3. 移相網(wǎng)絡(luò) 1 路 考慮到實際輸入信號變化很大，在移相網(wǎng)絡(luò)前端加入了自動增益控制（ 路。在 48輸入范圍內(nèi)，均能達到題目的輸出電壓要求，而不需要后級電路改變增益。我們采用的是由 擬乘法器構(gòu)成的 3 由德州儀器 生產(chǎn)的一款 131 高性能模擬四象限乘法器。其輸入輸出函數(shù)關(guān)系為： 圖 3 )12()21()21( o u 為運放增益，可認為是無窮大。 0 按照圖中連接形式，則其函數(shù)關(guān)系為： 1210 接的是輸入信號峰值檢波放大 后的的電平 ， 輸入信號，故 出電壓的峰值約為 10/峰值檢波后的 容網(wǎng)絡(luò)其時間常數(shù)約 5 秒，這是 1 相移電路及分析 題目中所給的移相電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)為： 2 )(1 2)(1 S R 其中1為圖中可變電阻 分壓比 ) 132 相移函數(shù)為： 2)(1)12( C R R 當 d=1，正向相移最大，當 d=0 時，反向相移最大。 1)(1 )12( 2 （ d=1） 1)(1 )12( 2 （ d=0） 最后結(jié)果為 * 為驗證理論分析的正確與否，將此電路在 001 中進行仿真測試，所得仿真結(jié)果與理論值一致。相關(guān)仿真結(jié)果如下： 圖 3-6 d=0 時的仿真結(jié)果。（幅度大的是原信號，幅度小的是移相后的信號） 可以清晰地看到移項后的信號相位落后約 45。 133 圖 3-7 d=1 時的仿真結(jié)果。（幅度大的是原信號，幅度小的是移相后的信號） 可以清晰地看到移項后的信號相位超前約 45。 取 當 f=100， 1K， 10， R 分別為 對應不同頻率，需要切換相應的電阻網(wǎng)絡(luò)。切換電阻網(wǎng)絡(luò)采用擬開關(guān)實現(xiàn)。通過對撥碼開關(guān)置數(shù)，實現(xiàn)在不同頻率下的相移。由于題目要求的只有三個輸入頻率，但實際中要求的移相頻率很多，因此我們利用 第四個模擬開關(guān)，設(shè)計了自定義相移頻率的模式。即可以根據(jù)公式 *得到相應的 R 值（ C 值已固定，約 測值）接入板上預留的接口，即可在使用者需要的頻率點上實現(xiàn) 45的相移，具有一定的實用性。這里 C 為獨石電容；移相網(wǎng)絡(luò)中的各個電阻值由精密可調(diào)電阻得到。 原信號與移相網(wǎng)絡(luò)信均經(jīng)過可調(diào)電阻分壓后跟隨輸出，具有一定的驅(qū)動能力。移相網(wǎng)絡(luò)見圖 3 圖 3 134 4. 字 移相信號發(fā)生器 數(shù)字 相移信號產(chǎn)生模塊的核心是 序初始化后，由單片機向 入所選擇的波形表，然后向 入預置的頻率與相位差，輸出控制字后， 始產(chǎn)生一前一后兩個地址序列，這兩個地址分別作為雙口 進行讀操作，讀出 的數(shù)據(jù)分別直接送至濾波后輸出一路原始波形，一路側(cè)移波形。 這里沒有采用 存儲器，而是使用了一片 口為存儲器，這樣可以簡化電路，同時也可以擴展輸出不同的波形。但是需要每次開機都由單片機對其數(shù)據(jù)初始化，要解決總線沖突等問題，實現(xiàn)起來比較復雜。 1 相位累加器是 核心，它是由一個 N 位字長的二進制加法器和一個固定時鐘脈沖取樣的 N 位相位寄存器組成的。相位寄存器的輸出與加法器的一個輸入相連，另一輸入端是外部輸入的頻率控制 字 K。這樣，在每個時鐘脈沖到達時，相位寄存器采樣上個時鐘周期內(nèi)相位寄存器的值與頻率控制字 K 之和，并作為這一時鐘周期的輸 出。頻率控制字K 決定了相應的相位增量，相位累加器則不斷的對該相位增量進行線性累加，當相位累加器加滿時就會產(chǎn)生一次溢出，一個周期性的掃描動作就是 成信號的一個周期。所以，輸出信號的數(shù)學表達式為： （ 晶振頻率） 根據(jù)題目要求和擴展要求：頻率范圍是 1035N=23 位，采用 12，頻率步進間隔為 012 236 論上在 35產(chǎn) 生的波形在一個周期內(nèi)可以有 3421035 1012 36 個點（實際采用 256 個點），經(jīng)過開關(guān)電容濾波器濾波后，輸出波形失真很小。原理見 圖 3 135 2 3 位 相 位 累 加 器2 3 位 加 法器1 7 位 頻 率 控 制 字 輸出序列2 3 位 相 位寄存器f 相位差控制部分 根據(jù)題目要求，需要 3590 度的移相，相位差的步進值為 1 ，并且要求可預置。所以在 部又做了一個相位累加器，將一個輸入端接到產(chǎn)生原始信號的相位累加器的輸出端，另一個輸入端連接到預置數(shù)據(jù) M，這樣，原始信號輸出的地址從 00h 開始，而在同一時間移相信號的輸出地址則從 始，這樣就完成了 0359 的數(shù)字移相。這里最小移相步進值為 。 原理見 圖 3 1 位 相 位 累 加 器1 1 位 加 法器1 1 位 移 相 控 制 字 輸出序列1 1 位 相 位寄存器f 數(shù)控幅度部分 幅度控制是通過雙路， 8 位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 現(xiàn)。利用 輸出端的電壓作為 單片機控制輸入到 數(shù)字量，從而實現(xiàn)了步進 值的幅度調(diào)整。經(jīng)電平平移后輸出。其原理框圖如 圖 3 136 / 濾波部分 出的頻率范圍相對很寬，用一般模擬帶通濾波器無論其中心頻率 何值，均無法實現(xiàn)整個頻帶內(nèi)實現(xiàn)濾波，一個經(jīng)常使用的方法是分段濾波，但這樣電路復雜，調(diào)試困難。開關(guān)電容濾波器克服了這個問題，用時鐘頻率控制通帶中心頻率，通帶波動小，阻帶衰減大，這里采用了集成電路 現(xiàn)了整個通頻帶的濾波。 其時鐘信號沒有采用傳統(tǒng)的鎖相環(huán)倍頻，而是利用 出地址信號的 低二位得到128 倍頻信號，經(jīng) 現(xiàn)的 5 進 4 出吞脈沖功能，得到約 100 倍通帶頻率的時鐘脈沖信號。利用 濾波器 A 和濾波器 B，分別對由 成的兩路進行濾波，由于兩電路特性一致，由濾波所產(chǎn)生的相位差互相抵消，對設(shè)定的相位沒有影響。考慮到實際元器件的偏差，最后測試結(jié)果仍能達到 的移相精度。 參考 用 圖 3 圖 3 137 濾波器 波器 B 類似）： 1000 13（ f= 23里取 2=0K. 在實際制作中，測量發(fā)現(xiàn)開關(guān)電容濾波器的輸出信號是斷續(xù)的，雖然頻譜有所改善，但相比 接產(chǎn)生的信號而言，從示波器上看，反而較差。 同時由于 信號取樣點較多，實際產(chǎn)生的信號失真很小，為此增加一個直通開關(guān)，即在 成信號后加一小電容平滑后直接輸出。具體選擇何種方式輸出，視實際需要切換。 四 系統(tǒng)軟件工程流程圖 本題單片機工作量較大，整個程序用 寫。 采取自下到上的調(diào)試方法，即單獨調(diào)試好每一個模