低頻數(shù)字式相位測量儀

PAGEPAGE1低頻數(shù)字式相位測量儀設(shè)計報告目錄1方案設(shè)計與論證 21．1移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案 21.2相位測量儀設(shè)計方案 32系統(tǒng)設(shè)計 42.1總體設(shè)計 42.1.1系統(tǒng)框圖 42.1.2模塊說明 42.2各模塊設(shè)計及參數(shù)計算 52.2.1移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及R、C參數(shù)設(shè)定 52.2.2相位測量儀設(shè)計 52.2.3軟件系統(tǒng) 63.結(jié)論 74.參考文獻(xiàn) 75．附錄 7系統(tǒng)設(shè)計圖 7摘要本系統(tǒng)以單片機為核心，輔以必要的模擬電路，構(gòu)成了一個基于具有高速處理能力的低頻數(shù)字式相位測量儀。該系統(tǒng)由相位測量儀和移相網(wǎng)絡(luò)組成；移相網(wǎng)絡(luò)能夠產(chǎn)生-45~45°相位差的兩路信號；相位測量儀能夠測量出具有0°~359°的兩路信號的相位差，絕對誤差小于2°，具有頻率測量及數(shù)字顯示功能。經(jīng)過實驗測試，以上功能均可以準(zhǔn)確實現(xiàn)。關(guān)鍵字：單片機移相相位差數(shù)字顯示1方案設(shè)計與論證1．1移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案本設(shè)計的核心問題是信號的模擬移相程控問題，其中包括波形相位以及波形幅度的程控。在設(shè)計過程中，我們首先考慮了賽題中提供的方案。如圖1-1所示：VV1V2圖1-1VV1V2圖1-1該模擬電路主要采用高、低通電路的臨界截止點來產(chǎn)生極值相位的偏移。當(dāng)高、低通電路的截止頻率等于輸入信號頻率時，根據(jù)其幅頻特性，信號波形所產(chǎn)生的相位分別為45°和-45°，恰好滿足賽題要求的連續(xù)相移范圍-45°~45°的調(diào)節(jié)。由于高、低通電路在截止點時會產(chǎn)生幅度的衰減，故電路在后級加了放大電路，且采用了電壓串聯(lián)負(fù)反饋的方式提高了輸入阻抗并降低了輸出阻抗，電路最后還設(shè)計有調(diào)幅裝置，能夠很好地滿足A、B輸出的正弦信號峰—峰值可分別在0.3V—5V范圍內(nèi)變化。綜上所述，該移相網(wǎng)絡(luò)能夠滿足賽題的所有要求，且電路設(shè)計簡單、易行，故我們直接采用了這種方式來產(chǎn)生模擬的相移輸出。1.2相位測量儀設(shè)計方案方案一：檢相器可以利用正弦波形的正半周和負(fù)半周的對稱特性。利用這一特性，正弦信號之間的相差可以在小于1/4信號周期的時間內(nèi)被檢測出來。其中，雙極性鋸齒波的頻率是參考信號的兩倍。它的中心點與參考信號的零點對齊。通過其幅度對應(yīng)于輸入正弦信號在半周期內(nèi)的過零點的變化可以線性地反映相位變化，并通過采樣保持電路把鋸齒波在該點的幅值轉(zhuǎn)換成支流電壓輸出。其整體框圖見1-3-2。圖1-3-2圖1-3-2從實質(zhì)上說，該方案為一個相位——電壓轉(zhuǎn)換電路，是將相位差近似的轉(zhuǎn)換成電壓信號，需要用極精密的芯片和調(diào)試方法來達(dá)到較高的精度，而且其轉(zhuǎn)換出來的連續(xù)電壓信號很難適合本題的數(shù)字化問題。應(yīng)該說該方案比較適合做芯片的開發(fā)以適應(yīng)其他的需求。方案二：使用單片機定時計算的相位差測量電路。本系統(tǒng)對輸入的信號進(jìn)行了過零比較放大整形處理，使輸入正弦信號轉(zhuǎn)化為單片能識別的數(shù)字信號。用單片機控制兩個16位定時計數(shù)器來采樣兩信號的過零時間差和信號的周期，以取來的大數(shù)據(jù)來滿足對相位差的極高分辨率。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機進(jìn)行處理，以送至液晶或其他的顯示裝置以顯示。該方案具有思路相對清晰，容易實現(xiàn)，在輔以具有很強控制能力的單片機，所以，采取此方案成為目前階段順理成章的事情。2系統(tǒng)設(shè)計2.1總體設(shè)計2.1.1系統(tǒng)框圖如圖2-1-1所示。圖圖2-1-1系統(tǒng)內(nèi)部三個單元的具體設(shè)計框圖如下：圖2-1-1A圖2-1-1-B2.1.2模塊說明=1\*GB3①移相網(wǎng)絡(luò)：利用高、低通電路的臨界截止產(chǎn)生連續(xù)相移調(diào)節(jié)范圍為-45°—45°的模擬相位輸出，通過放大電路及調(diào)幅裝置實現(xiàn)幅度0.3V—5V連續(xù)可調(diào)。=2\*GB3②相位測量儀：由單片機程序中的兩個計數(shù)器分別對所測信號的相位差、周期進(jìn)行計數(shù)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并送液晶顯示。2.2各模塊設(shè)計及參數(shù)計算2.2.1移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及R、C參數(shù)設(shè)定題目要求連續(xù)相移范圍；-45°~45°，根據(jù)高、低通電路的幅頻特性，高通電路中存在:，，同樣在低通電路中存在:，，可見當(dāng)f=fL=fH時,高、低通電路均處于臨界截止態(tài),此時兩信號幅度均衰減為原信號幅值的,且相位分別為45°和-45°。由于賽題要求輸入信號頻率為；100H到1KHz選一個信號，所以R、C選擇應(yīng)分別滿足時間常數(shù)值s到s。為了方便設(shè)計和調(diào)試故我們在高通電路中采用0.22u的固定電容和阻值分別為7.5K的精密電位器；而在低通電路中我們采用1u的固定電容和阻值分別為1.5K的精密電位器，精確地達(dá)到了題目的要求。為使A、B輸出的正弦信號峰—峰值可分別在0.3V—5V范圍內(nèi)變化，根據(jù)以下公式：、、，可得移相網(wǎng)絡(luò)中的后級放大只需放大兩倍即可。根據(jù)電壓串聯(lián)負(fù)反饋的放大公式：，圖1-1中應(yīng)取R3=R4=1K,便可達(dá)到要求。2.2.2相位測量儀設(shè)計由于信號波形的幅度不同以及由比較器LM311構(gòu)成的過零電路對于正弦信號輸入后沿有不可忽略延遲，所以我們使用整流信號的上升沿作為中斷的控制信號，故在過零電路后加反相器便于單片機識別。因為輸入信號幅度為1~5V，為了使整流電路正常工作，必須將小信號部分放大，在設(shè)計中我們采取了前級放大6倍。此外，在放大電路之前我們還裝配了電壓跟隨器，滿足了基本部分中相位測量儀的輸入阻抗大于等于100KΩ。在相位差測量過程中，不允許兩路被測輸入信號在整形輸入電路中發(fā)生相對相移，或者應(yīng)該使得兩路被測信號在整形輸入電路中引起的附加相移是相同的，因此，我們對A、B兩路信號采用了相同的整形電路。為了避免出現(xiàn)被測輸入信號在過零點時多次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，我們設(shè)計了第二種整形電路，即使用施密特觸發(fā)器組成的整形電路。為了保證輸入電路對相位儀測量不帶來誤差，必須保證兩個施密特觸發(fā)器的兩個門限電平對應(yīng)相等，這可以調(diào)節(jié)電位器來實現(xiàn)。本系統(tǒng)所設(shè)計的測量周期和相位差的計數(shù)器為單片機內(nèi)部的兩個16位計數(shù)器，而且采用了對周期、相位差的等精度測量，其測量誤差直接取決與單片機的晶振的頻率及其穩(wěn)定性。而本系統(tǒng)所采用的晶振為24M的晶振，在最大程度上減小了系統(tǒng)誤差。2.2.3軟件系統(tǒng)本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)很大，采用C51編寫。由于仿真機對C51支持的靈活性，單片機采用先仿真機模擬調(diào)試，后下載到單片機來調(diào)試。相位測量儀軟件流程圖如圖2-3-1所示。圖圖2-3-13.結(jié)論我們設(shè)計的系統(tǒng)完成了題目的基本功能、基本指標(biāo)，而且在精度上有較大提高；雖然最后我們沒能成功地完成每一步，但是總體上來說這次競賽是我們第一次完全地靠自己做出一個產(chǎn)品，我們拿到題目后，分工進(jìn)行查資料，模擬軟件仿真，由于是模擬的怕仿真效果不好，我們在確定電路之前還進(jìn)行了實物仿真，最后電路和程序基本上都已經(jīng)實現(xiàn)，除了顯示不是很穩(wěn)定，誤差不是很理想還蠻順利的。4.參考文獻(xiàn)孫涵芳、徐愛卿編著：MCS—51系列單片機原理及