电子设计竞赛报告 低频数字式相位计

摘要通过四天的艰苦努力，我们设计并完成了本次比赛中低频数字式相位计任务书中所要求的基本和提高部分的所有功能。

在频率和相位的测量部分，作品利用单片机和CPLD使用精确稳定的数字测量方法实现了低频数字式相位测试仪的功能，在K20信号输入时，频率测量误差小于%2.0，相位测量误差小于01。

在移相信号源设计部分，设计利用了现代数字化系统的优势，采用了先进的AD，系统实现了MHzDDS专用芯片9830Hz21相位步进01.0，频率步进Hz1的优~异性能指标。

在移相网络的设计部分，设计参照了任务书的设计方案顺利完成了要求。

整个系统设计先进、工作稳定、性能指标较好。

另外在该系统中，设计中采用了三块液晶屏幕作为系统显示，有良好的人机界面，在系统中我们还附加了一个时钟模块，可以在测试的过程中准确的显示标准北京时间。

Abstract:With four-day effort, we designed and completed both the basic and advanced tasks requested in "Low Frequency Digital Phase Test Instrument".In the task of frequency and phase, the digital test method, which was precise and stable, was used so as to appraise errors more precisely.MCU and CPLD was also used to implement the task..When 20kHz signal was applied, the frequency error was 0.2% and the phase error was 1 degree. In the task of the source of signal,we duly used advanced DDS chip AD9830. This advanced design gave the system an excellent performance, that was 1Hz to 2MHz with phase stepped up 0.1 degree and frequency stepped up 1Hz. In the task of the phase movement net, we consulted the design plan in the task book and fulfilled the requirement effectually. Besides, we used three LCDs which provided an excellent interface to users. Moreover, a time block which could display Beijing time accurately during the task was also added.关键字：低频数字式相位计DDSAD9830Key words：low frequency digital phase test instrumentDDSAD9830方案论证1 相位测量仪在任务书的基本要求中提出相位测量仪的频率范围kHzHz20~20，相位测量仪的输入阻抗大于等于ΩK 100，允许两路输入正弦信号峰峰值可在VV 5~3.0范围内变化，相位测量绝对误差小于等于02，具有频率测量及数字显示功能，相位差数字显示，要求相位读数为09.359~0，分辨力为01.0。

测相的原理：图1 相位测量原理如图1所示，)(t u i ，)(t u o 分别为被测网络的输入输出信号，)(t u i ，)(t u o 的相位差是TT 10360⋅=φ，现在对于相位测量仪来说T 和1T 均未知。

通常对于相位差的测量有以下几种方法： 1）模拟测量法用过零比较器将输入和输出信号的正弦波整形为方波，送入鉴相器鉴相，鉴相器输出为脉冲方波，其占空比与两个信号的相位差成正比。

经过低通滤波器，即将占空比转换为直流电压，再经DA/后，由MCU读出相位差值。

该差值表征了两个波型的相对相位差大小。

该差值表征了两个波型的相对相位差大小，但不能分别出两者之间的相位是超前还是滞后。

为此还要另外加一个相位极性判断电路。

2）数字化方法同样采用鉴相器，但直接采用数字技术对带有相位信息脉冲宽度进行测量,而不通过低通滤波和DA/,可以更直接的完成相位的测量。

本方案中的鉴相器是一种数字化的鉴相电路，先进行相位比较，然后用填充脉冲的方法来测量脉冲宽度，如图二：图二数字鉴相器SingnalA，SingnalB分别是被测网络的输入i U和输出o U经过滤波，整形后得到的两路方波信号，plusphase_是带有相位信息的脉冲信号；经过鉴相器之后，脉冲宽度的测量电路在CPLD中实现。

数字化测量方法也需要相位极性判断电路，如图三：图三极性判断电路SingnalA超前时lead 输出为1，当SingnalA 滞后时lead 输出为0。

整形后测量原理如图四：图四 整形后的测量原理根据此鉴相器电路特性，计算公式如下： 相位超前时，公式为︒=360*1TT ϕ；相位滞后时，公式为︒︒-=360*3601TT ϕ。

测量框图如下：图五 数字化测量框图运算电路计算公式为：360*ab N N ±=ϕ。

本题测量信号的频率范围为kHzHz20~20，相位精度为︒1。

kHz 20信号的对应的脉宽为s μ1388.0,CPLD 时钟频率c f ＝MHz 10，c T ＝0.1s μ,可以达到本题的精度要求。

同时采用测量时钟进行同步后，ϕ 可以消除1±误差的影响，提高了测量精度。

比较两种测量方法，第一种方法需要一些外围模拟电路，滤波器和D A /在带内的不均匀性将会导致误差，而且这是难以估计的误差，对于不同的频率误差显示出不均匀性。

对于第二种方法，信号的测量可以做到误差范围的准确预测，缺点是当信号频率增加时，脉冲的宽度很可能非常窄，这时采用这种方法就需要一个高速的填充频率，这往往是很难实现的。

这时就需要采用采用混频技术将信号频率下降后再进行测量。

但对于题目中的要求测量kHzHz 20~20的信号，这种方案是完全可行的。

所以我们在该题中采取了数字化方法进行测量。

这里还必须提到由于信号的频率未知，我们首先需要测出信号的频率才能应用数字化方法进行测量，对于频率的测量通常有以下几种方法：测频法，测周期法和计算处理后的等精度测试法。

其中最优的方法是等精度测试法，该法保证了被测信号范围内的等精度测量。

但是介于题目中的要求测量的信号范围是kHzHz20~20这样的低频信号，我们采用直接测周期法进行测量。

对于测周期法其基本原理是将输入信号K 分频后，用X KT 作为门控时间，并用晶体振荡器c f 计数，计数器值为N ，所以被测周期为： kNT Tx /0=对上式进行误差积累和合成的计算，可以得到测周期误差的计算公式：xc c x x x x x T T f f kT T N T T N N T T //)/(///000∆+∆+∆=Θ+∆-∆=∆上式右边第一项为量化误差的相对值，其中计数误差1±=∆N；第二项为时标的相对误差；第三项为触发误差，与测频率相反，测量周期的误差随被测信号的频率升高而增大，由于任务书的要求测量频率范围为kHzHz20~20，因此用MHz 10的晶振，倍率k 为1，x x T T /∆能达到710-～310-的精度。

2 移相网络在任务书中需要设计一个移相网络输入信号，要求 1．输入信号频率Hz 100，kHz 1，kHz 10。

2．连续相移范围：45~45+-。

3．输出正弦信号峰峰值可分别在VV 5~3.0范围内变化。

在项目书中已经提供了一个移相网络，关键在于怎样设计该移相网络中元件的参数值使其满足题目中的要求。

图六 移相网络图设输入信号为t j e ω，则2R 下端输出信号为tj eRCj ωω+11，1R 上端输出的信号为tj eRCj RC j ωωω+1则B '输出为tj tj eRCj RC j R R R eRCj ωωωωω++-⋅+++1111212()tj e CR C R RC j R R R C R RCj ωωωωωω⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+--+-+-=22222221222212111可得：222221122tan CR R R R C RR RC R ωωωφ-+--=如果要将调节范围放到0045~45+-，则1=RC ω；此时：()21212112tan R R R R R R R R RC +-=+--=ωφ当滑动变阻器调节到最上端时01=R ，1tan =φ 当滑动变阻器调节到最下端时1 tan 02-==φ，R经计算当频率Hz 100时 Ω=K R 16,F C μ1.0=kHz1时 Ω=K R 6.1,FC μ1.0=kHz10时Ω=160R ,F C μ1.0= 可满足连续相移范围045~45+-关于输出正弦信号峰峰值可以通过调节电位器可以简单的达到V5~0的输出变化范围。

3数字式移向信号发生器按照任务书的要求，需要设计并制作一个数字式移相信号发生器，用以产生相位测量仪所需的输出正弦信号，要求频率范围kHz20，频率步~Hz20进为Hz~3.0V5 20，输出频率可预置，A，B输出的正弦信号峰峰值可分别在V范围内变化。

相位差范围为00，相位差步进为01，相位差可预置。

数字~359显示预置的频率、相位差值。

一般来讲信号发生的方法有以下几种：1独立的压控振荡器（VCO）VCO工作原理为：RC振荡器构成的VCO是产生低频信号的常用方法。

通过改变RC参数以及通过改变外加控制电压以改变对C的充放电速度，就可以获得不同频率的三角波、方波或正弦波。

同样，使用固定的RC参数并外加固定的电压，则可获得固定的频率输出。

但是就一般的VCO芯片作为一个固定电压控制下，其输出频率无法做到准确稳定。

2锁相环频率合成器（PLL）PLL是一种很常用的频率合成方法。

可以获得稳定的输出频率，且频率可步进变化。

锁相环的结构如图七所示。

图七锁相环框图锁相环由参考信号源Fref，鉴相器PD，低通滤波器LPF，压控振荡器VCO 四个部分组成。

通过鉴相器获得输出F与输入i F的相位差，并经低通滤波器o转换为相应的控制电压，控制VCO的振荡频率F，这是一个闭环控制系统，o只有当输出信号和输入的参考信号在频率和相位都达到一致时，系统才能达到稳定。