簡易相頻特性測試儀

1、相頻特性測試儀參賽隊員：陳麗鳳 劉 科 劉水源指導(dǎo)老師：王建波摘要： 本系統(tǒng)以STM32單片機為核心，利用單片機的DA模擬DDS原理產(chǎn)生正弦信號，經(jīng)低通濾波器和隔直電容后得到平滑的正弦波；然后利用分兩路信號輸出，一路經(jīng)過比較器得到方波信號，另一路信號先經(jīng)過帶通濾波網(wǎng)絡(luò)后得到移相的正弦波，再通過比較器得到方波信號，兩路方波信號經(jīng)過異或門得到一個方波信號，方波信號的正頻寬即可代表相移度數(shù)；同時這兩路信號也進入D觸發(fā)器的輸入端，通過輸出端判定相位超前還是滯后關(guān)系。最后通過單片機的AD采集異或門芯片的輸出端，經(jīng)過計算后求出相位差。 關(guān)鍵詞：DDS；異或門；D觸發(fā)器；相位差一、 方案論證與對比

2、1. 正弦信號產(chǎn)生方案選擇 方案1：采用專用DDS芯片。優(yōu)點是硬件電路簡單，無需對輸出信號進行二次處理。缺點是價格比較昂貴。 方案2：采用單片機模擬DDS原理輸出正弦信號。優(yōu)點是成本較低，只需將正弦波形表存于單片機FLASH中，然后利用DA按照設(shè)定的方式輸出正弦波形表中的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過低通濾波后就可以得到平滑的正弦波。缺點是需要對濾波器精心設(shè)計，否則得到的波形將會失真。最終本作品選擇了該方案。2. 鑒相方案選擇方案1：雙邊帶調(diào)制法，通過模擬乘法器實現(xiàn)雙邊帶調(diào)制從而得到常量Umcos(12)和以2w為角頻率的余弦信號Umcos(2wt+1+2)，其中Um = 0.5

3、U1mU2m。通過低通濾波器濾除交流信號，便可以得到只包含有Umcos(12)分量的直流分量。在通過對兩路正弦信號進行整流和濾波得到U1m 、U2m，就可以計算出相位差的余弦，對其求反余弦便可以得到相位差。該方案在整流和AD采樣將會引入一定的誤差，并且原理復(fù)雜。方案2：相位差-時間轉(zhuǎn)換法，將相位差的測量轉(zhuǎn)換為測量兩個正弦波形對應(yīng)點的時間間隔，通過過零比較轉(zhuǎn)換為方波，測量方波上升沿的時間差，達到測量相位差的目的。該方案的優(yōu)點是原理比較簡單，測量精度高。缺點是過零比較時容易受到干擾信號的影響而產(chǎn)生毛刺。最終本作品選擇了此方案。3. 顯示方案選擇方案1：外部觸發(fā)方式。優(yōu)點是只需一個DA用于

4、輸出信號，然后利用一個IO口產(chǎn)生觸發(fā)信號。缺點是實現(xiàn)信號與觸發(fā)信號之間的同步比較困難。 方案2：XY方式。利用兩路DA分別輸出Y方向的信號和X方向的鋸齒波，從而可以在示波器上顯示穩(wěn)定的波形。優(yōu)點是實現(xiàn)方式比較簡單，對信號同步要求較低。缺點是需要占用兩路DA。最終本作品選擇該方案。 系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，利用單片機DA模擬DDS原理產(chǎn)生階梯狀正弦信號，經(jīng)過低通濾波后得到平滑的正弦波，然后信號將分兩路進行處理。其中一路直接經(jīng)比較器得到方波；另一路進入被測網(wǎng)絡(luò)，然后進入運算放大和電壓比較電路得到方波信號。然后將得到的兩路方波信號一路經(jīng)過異或門得到表示相移量的方波；另一路經(jīng)過D觸

5、發(fā)器得到表示相位超前或者滯后的電平。最后通過單片機的AD采集。對相頻特性曲線的顯示則通過XY方式在示波器上顯示。 單片機輸出正弦波低通濾波器電壓跟隨器電壓比較器被測網(wǎng)絡(luò)電壓比較器異或門D觸發(fā)器STM32圖1二、 理論分析與參數(shù)計算、電路設(shè)計1. 正弦信號產(chǎn)生電路分析由DDS原理可知，將正弦波數(shù)據(jù)表存于單片機中，然后利用單片機的DA將其輸出，就可以得到包絡(luò)為正弦的階梯波，然后經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量從而可以得到平滑的正弦波。為了保證輸出精度，規(guī)定每個周期最少輸出10個點。設(shè)定點與點之間輸出時間間隔為50uS。因此，在頻率為2KHZ時每個周期輸出10個點；頻率為100HZ時，每個周期輸

6、出2000個點。將含有2000個點的正弦波形表存于單片機中，通過改變?nèi)↑c步進從而可以達到改變正弦波輸出頻率的目的。經(jīng)計算，當(dāng)取點步進STEP=1時，輸出2000個點,輸出頻率為10HZ；當(dāng)取點步進STEP=2時，輸出1000個點，頻率為20HZ；取點步進STEP=10時，輸出200個點，頻率為100HZ；取點步進STEP=200時，輸出10個點，頻率為2KHZ。由此得到的正弦信號的頻率范圍為10HZ到2KHZ，完全滿足題目要求，而且頻率步進可以達到10HZ，滿足發(fā)揮部分第一條指標(biāo)。低通濾波器的設(shè)計十分重要，它決定了能否得到平滑且不失真正弦波。DA輸出的波形中除了包含有所需的頻率為f0的正弦波外

7、，還含有存在于調(diào)制信號兩邊的各次諧波分量。其中影響最大的是鏡頻干擾，因此必須將其濾除，所以將低通濾波器的截止頻率設(shè)計為20KHZ。濾波器電路如圖2所示。 由于DA輸出的正弦信號含有直流分量，因而需要通過隔直電路除去才能得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號，隔直電路如圖3所示。 圖2 圖32. 鑒相電路分析首先將輸入輸出信號分別通過電壓比較器整形為方波，然后送鑒相器鑒相，經(jīng)低通濾除其中的交流成份，取出直流成份，得到被測網(wǎng)絡(luò)相移信號，送A/D進行數(shù)據(jù)采集。原理框圖如圖4所示：圖4本系統(tǒng)鑒相器利用CD4030BE異或門數(shù)字芯片鑒相。但是它只能給出相移的大小信息，而無法判斷超前與滯后，所以我們另加一個相位極性

8、判別電路。該電路如圖5所示：圖5將整形后的被測網(wǎng)絡(luò)輸入信號加到D觸發(fā)器CP端，將整形后的被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號加到觸發(fā)器的D端，如圖所示，若超前，則對應(yīng)上升沿處，為1，則D觸發(fā)器輸出為1。反之，滯后，則D觸發(fā)器輸出為0，將其輸出送往單片機，即可判斷相移的超前與滯后。3. 相頻特性曲線的顯示采用XY方式在示波器上顯示相頻特性曲線。將換算后的相位差經(jīng)DA0輸出至液晶Y軸，將DA1輸出的用于掃描的鋸齒波送入X軸，便可以在液晶上顯示穩(wěn)定的波形。4. 軟件分析本系統(tǒng)軟件包括正弦波輸出、相位差測量、相頻特性曲線顯示、按鍵輸入檢測、點頻輸出等程序模塊。系統(tǒng)程序流程圖如下：三、 測試與數(shù)據(jù)分析1. 測試儀器1.TD

9、S2012B型模擬示波器 2.F40型函數(shù)信號發(fā)生器/計數(shù)器2. 測試方法與測試結(jié)果2.1 正弦信號頻率測試圖6如圖6，將單片機DA輸出的正弦信號經(jīng)低通濾波器后直接接入計數(shù)器的信號輸入端，便可以讀出信號的頻率；測試結(jié)果如下：理論頻率（Hz）10050010002000500010000實際頻率（Hz）10050010012003500910020測試結(jié)論：在頻率10K的時候誤差為20Hz，超過擴展指標(biāo)要求的頻率誤差低于|10Hz|。但是在100Hz到5KHz的時候最大誤差為9Hz，達到了指標(biāo)要求。2.2 相差頻率測試圖7如圖7，連接好測試電路后，測出不同頻率下兩信號的相位差，同時讀出單片機顯示的結(jié)果并記錄下來。測試結(jié)果如下圖：信號頻率（Hz）10050010002000500010000實際相位差+130°+80°+30°+7°-132°-178°檢測相位差+127°+70°+31°+10°-130°-170°測試結(jié)論：相位差誤差小于10