低頻數(shù)字式相位測量儀全國一等獎作品

1、低頻數(shù)字式相位測量儀（全國一等獎作品）摘要：本設(shè)計以凌陽16位單片機SPCE061A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)生器三個子系統(tǒng)組成。采用CPLD與單片機相結(jié)合的方法，充分利用單片機豐富的資源以及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)運行穩(wěn)定。利用紅外鍵盤使系統(tǒng)可以遠距離無線控制。關(guān)鍵詞：相位測量，移相，CPLD，DDS一 方案論證與設(shè)計1 相位測量儀方案 方案一：單周波計數(shù)法。將有相位差的兩路方波信號進行”異或”后作為閘門，在高電平時，利用外部高頻信號進行計數(shù)，在下降沿將數(shù)據(jù)讀

2、出，低電平時對計數(shù)器清零。設(shè)晶振頻率為fc，測得信號的頻率為fr，計數(shù)值為N，則相位差phase為方案二：定時間計數(shù)。將高頻時鐘信號和兩路信號異或得到的信號進行“與”，在設(shè)定時間s內(nèi)利用其上跳變沿計數(shù)，設(shè)高頻時鐘頻率為fc，計數(shù)值為N，則方案三：多周期同步計數(shù)法。設(shè)被測信號的頻率為f，則將一被測信號進行f1倍（f取整）分頻，則在f1周期內(nèi)(保證測量時間在1s左右)，被測信號異或與參考高頻信號相與的信號singal1的計數(shù)為N1,同時期參考高頻信號的計數(shù)為N，則以上三種方案都可以采用一個D觸發(fā)器將相位測量的相位擴展到-。方案一需高速時鐘，按題目要求，在20kHz信號時的相位差分辨率為0.1o，則

3、要求時鐘最少為72MHz，實現(xiàn)困難。而方案二測量時間段一定，存在遺漏01個周波的情況，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形量化數(shù)據(jù)，采用不同時鐘頻率的地址計數(shù)器，根據(jù)計數(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

4、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)計圖二 理論分析與計算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定倍數(shù)，可減小其上升時間，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

5、門輸出可得到上升時間為50ns左右的方波。運放采用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數(shù)時鐘信號“與“得到的信號1和高頻計數(shù)時鐘信號2，利用信號1、2上升沿計數(shù)，通過單片機控制計數(shù)周波數(shù)，再根據(jù)兩計數(shù)值計算出相位差。電路圖如圖3所示，采用兩片8254級聯(lián)，組成了32位計數(shù)器，大大提高了系統(tǒng)的精度。對輸入信號進行N倍分頻（由單片機對8254進行控制），則可使讀出N個整周波內(nèi)的計數(shù)值，很大地減小了誤差。采用一個D觸發(fā)器檢測相位的超前與滯后使相位擴展到-。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

6、），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)單片機對控幅D/A（DA0832）置數(shù)為D7D6D5D4D3D2D1D0，則DAC0832給AD7524的參考電壓為輸出波形的幅值為2Vref 。圖6 DDFS電路3模擬移相網(wǎng)絡(luò)原理分析可調(diào)電阻下端電位為：上端電位為：（Vin為輸入信號，w為輸入信號的角頻率）。通過調(diào)節(jié)電位器RP3來改變比例常數(shù)A、B，從而改變輸

7、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 圖7 移相矢量圖根據(jù)題目要求，將100Hz、1kHz、10kHz時的電阻分別設(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1 系統(tǒng)操作說明采用紅外遙控鍵盤，有10個數(shù)字鍵，六個功能菜單選擇鍵。其中，功能鍵為：頻率，幅值（兩個按鍵），相位，返回，換位，數(shù)字鍵為09十個數(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，須按

8、返回使設(shè)定生效。2 軟件設(shè)計流程軟件設(shè)計分為波形產(chǎn)生和相位測量兩個模塊：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，然后進行整機調(diào)試：數(shù)字移相信號發(fā)

9、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，用相位測量儀進行測量。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)自制相位測量儀進行測量，改變幅值，將設(shè)定值與測得值進行比較。3 測試數(shù)據(jù)表一 信號發(fā)生器數(shù)據(jù)檢測設(shè)定頻率（Hz）實際頻率（Hz）頻率誤差（Hz）設(shè)定幅值（V）實際幅值

10、（V）幅值誤差(V)2019.990.011.501.480.0210099.990.011.501.480.021000999.950.052.502.50010000999552.502.5002000019960402.502.5003000029990102.502.560表二f20Hz時相位測量設(shè)定相位（度）測量相位（度）絕對誤差（度）相對誤差（%）0359.90.14544.50.51.19089.30.70.78180179.50.50.28270269.80.20.07350349.40.60.17表三 f50Hz時相位測量 表四 f1Hz時相位測量設(shè)定相位（度）測量相位誤差(

11、%)0004544.50.59089.40.6180179.10.9270269.90.1350359.60.4設(shè)定相位（度）測量相位誤差(%)0359.40.64544.20.89089.10.9180179.01.0270269.60.4350349.30.7表五f20kHz時相位測量表 表六 f10kHz時相位測量設(shè)定相位（度）測量相位誤差(%)02.42.44542.72.39087.62.4180176.53.5270267.92.1350346.53.5設(shè)定相位（度）測量相位誤差(%)01.41.44544.31.79089.20.8180181.71.7270269.20.835

12、0348.91.1 表七 相位計與波形產(chǎn)生器聯(lián)合測試U1（V）U2（V）輸出頻率（Hz）測量頻率（Hz）輸出相差（deg）測量相差（deg）誤差（deg）2.501.5010001000225.0224.70.32.501.501000100060.059.10.95.001.502000199960.058.70.35.001.505000500060.059.01.05.001.0010010090.088.71.31.005.00100100180.0181.11.10.305.001000100075.078.03.00.305.001000100090.093.03.05.000.3

13、010001000270.0267.32.65.000.30100103270.0266.53.54 數(shù)據(jù)分析相位測量儀頻率較高時，由于脈寬較窄使計數(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，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，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)計成功地結(jié)合了單片機和CPLD的優(yōu)點，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

14、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電平對相位差進行軟件校正，可以提高相位測量的精度。六 參考文獻1 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編(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)計與應(yīng)用實踐教程.北京：機械工業(yè)出版社，2003.AbstractThe system equips 16 bits SCM-SPCE061A and CPLD ispLSI 1032E as kernel part，and includes three subsystems：phase measuring apparatus， waveform generator and phase-shift