低频数字式相位测量仪(余蜜)
相位测量仪
辽宁工业大学电子综合设计与制作（论文）题目：低频数字式相位测量仪院（系）：电子与信息工程学院专业班级：电子班学号：学生姓名：指导教师：教师职称：起止时间：2013.12.13-2014.1.10电子综合设计与制作（论文）任务及评语摘要该设计是低频数字式相位测量仪，设计思路为输入一个低频正弦信号通过分支路正常输出，另一路不通过移相器输出一个相位改变频率不变的正弦波。
得到上述两路频率相同相位不同的信号后就要测出两信号的相位差和频率，在做此工作前先要经过相位测量前置级信号处理电路，由阻抗变换和放大、限幅、电平转换、整形电路组成。
经过相位测量前置级信号处理电路得到两路方波，通过异或门输出一个脉冲序列与晶振产生的基准脉冲波进行与操作得到调制后的波形，在一定的时间范围内对脉冲的个数进行计数通过计算得到相位差和频率。
再通过单片机控制显示器显示出所需结果。
关键词：低频；正弦；移相器；异或门；整形；目录第1章可编程增益放大器设计方案论证 (1)1.1可编程增益放大器的应用意义 (1)1.2可编程增益放大器设计的要求及技术指标 (1)1.3 设计方案论证 (2)1.4 总体设计方案框图及分析 (3)第2章可编程增益放大器各单元电路设计 (4)2.1 输入调整电路设计 (5)2.2 中间级放大电路设计 (5)2.3 输出级电路设计 (5)2.4 增益调整电路设计 (6)第3章可编程增益放大器整体电路设计 (7)3.1 整体电路图及工作原理 (7)3.2 电路参数计算 (7)3.3 整机电路性能分析 (8)第4章设计总结 (9)参考文献 (10)第一章低频数字式相位测量仪设计方案论证1.1低频数字式相位测量仪的应用意义近年来，随着科学技术的迅速发展，很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的功能丰富而使用简单。
低频数字式相位测试仪在工业领域中是经常用到的通用测量工具。
在电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的信号相同，这就要求精确的测量两工频信号之间的相位差。
历届全国大学生电子设计竞赛题目及分析
简易逻辑分析仪：单片机或者可 编程逻辑器件，存储器，数字显示等。
放大器类题目分析 涉及到的基础知识包含有：
实用低频功率放大器：电源整流和 稳压，方波信号发生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，低频功率放 大器等。
自动往返电动小汽车光电检测电 路，电机控制电路，单片机或者可编
程逻辑器件，数字显示等。 简易智能电动车：光电、金属、
超声波检测电路，电机控制电路，单 片机或者可编程逻辑器件，数字显示 等。 液体点滴速度监控装置：光电检测电 路，步进电机控制电路，单片机或者 可编程逻辑器件，数字显示等。
附录：历届全国大学生电子设计竞赛题目
测量放大器：电源整流和稳压，信 号变换放大器，测量放大器等
高效率音频功率放大器：电源整流 和稳压，音频功率放大器等。
宽带放大器：电源整流和稳压，AGC， 宽带放大器等。 仪器仪表类题目分析
数据采集与处理类题目分析 涉及到的基础知识包含有：
多路数据采集系统： A/D 变换， 单片机或者可编程逻辑器件，存储器， 数字显示等。
电源类题目分析 涉及到的基础知识与制作能力包含：
交流电源降压和整流，直流电压稳 压和调节，单片机，数字显示与控制 等。
交流电源降压和整流，直流电压稳 压和调节，恒流电流源，DC-DC 变换器， 单片机，数字显示与控制等。
信号源类题目分析 涉及到的基础知识与制作能力包含：
实用信号源的设计和制作： RC 振荡 器，脉冲振荡器，数字可调电位器， 单片机，数字显示与控制等
简易数字频率计：信号变换与检 测，单片机或者可编程逻辑器件，数 字显示等。
频率特性测试仪：信号变换与检 测，单片机或者可编程逻辑器件，数 字显示等。
低频数字式相位测量仪简单介绍
低频数字式相位测量仪简单介绍相位差的测量在自动控制以及通讯电子等领域有着非常广泛的应用。
如水深测量、电磁波测量、电力系统的相位检测装置、激光测量等。
目前常用的低频数字式相位测量仪方法是将输入的两路信号经过某种处理将其变成方波，再通过比较这2路方波计算出相位差脉宽，最后通过用高频脉冲填充相位差，这个过程就实现了相位差的测量。
1、低频相位测量仪的意义大家都知道相位是交变信号三要素（频率伏值相位）之一，而相位差则是研究两个相同频率交流信号之间关系的重要指标。
相位差是测量两个同频率周期信号的相位差值。
相位计就是测量相位差的仪器,低频数字式相位测量仪就是专门测量低频信号的相位差，一般频率是100Hz以内的正弦频率信号，高精度相位计一般是指测量精度特别高，一般测量精度在0.2度以内。
低频数字式相位测量仪的工作原理和误差源就是设计低频数字式相位测量仪必须了解的内容。
2、低频数字式相位测量仪测试方法（1）示波器法示波器法是把两个被测信号同时加到双踪示波器的两个Y通道，直接进行比较，根据两个波形的时间间隔△T与波形周期T的比，计算相位差Φ。
示波器测量相位差缺点是精度不高。
（2）零示法零示法其实是将被测信号和可变移相器串联然后和另一同频率信号同时加在相位比较器如示波器、指示器等上，调节可变移相器，使比较器指示零值相位，则移相器上的读值即为两信号间的相位差。
这种测量方法的精度决定于所使用的移相器的精度，一般达十分之几度。
（3）直读式相位计法直读式相位计最大的优势就是可以直接读取相位差。
同事其测量速度也比较快，还能显示相位变化。
一般而言直读测量相位差的方法有：数字式直读相位计法、矢量电压表法相敏检波器法和环形调制器法。
其中前两种是目前低频数字式相位测量仪测试方法中最常见的，具体测试方法如下：a、数字式直读相位计法测量相位差的基本原理与测量时间间隔大体相同，见时频测量。
即将被测两信号电压经过脉冲形成电路，变换成尖脉冲，去控制双稳态触发器，由此产生宽度为△T的闸门信号。
电气电子毕业设计100竞赛论文——低频数字式相位测量仪
电子竞赛——低频数字式相位测量仪目录摘要 (1)一．设计任务与设计要求 (2)1.1 设计任务 (2)1.2 设计要求 (2)1.2.1 基本要求 (2)1.2.2 发挥部分 (2)二．相位测量 (2)2.1相位测量方案选择与论证 (3)2.2相位测量框图 (3)2.3相位测量硬件电路设计与器件选择 (3)2.3.1 相位比较电路 (4)2.3.2 CPU与外围电路 (5)2.3.3键盘与显示电路 (6)2.3.4直流稳压电源电路 (6)2.4 测试方法与测试结果 (7)2.4.1 相位测试方法 (7)2.4.2相位测试结果 (7)2.4.3测量工具 (7)三．频率测量方案 (7)3.1 方案选择与论证 (7)3.2 硬件电路设计 (9)3.3 频率测量测试及结果 (9)3.4 测量工具 (10)四．移相网络电路参数计算 (10)4.1移相网络电路框图 (10)4.2移相网络电路参数计算 (10)4.3 移相网络测试 (12)4.4 测量工具 (12)五．发挥部分数字移相信号发生器 (12)5.1方案论证 (12)六．系统软件设计 (15)七．总的结果分析 (16)八．结论 (16)附录：移相信号发生器电路 (17)10-03设计题目：低频数字式相位测量仪参赛队员：刘传登韩春鹏王忠杰指导教师：车新生摘要本设计实现的是对两列信号的相位差的精确测量并数字显示测量结果。
为达到要求的精度本设计采用了将相位转换为直流电压的间接测量方法。
用16位A/D对输出的直流电压进行采样，送入单片机进行相位显示。
这样就使得相位差就具有足够高的分辨度，完成了任务要求。
在单片机P89C51实现以上功能的同时，利用单片机中的多位计数器/定时器对输入信号进行等精度频率测量。
为测量方便，又制作了移相网络电路，设计了移相信号电路和应用程序。
整个装置具有原理简单，测量精度高,测量范围宽，测量结果显示直观的特点。
关键词：相位测量等精度测量移相网络一．设计任务与要求1.1设计任务设计并制作一台低频相位测量系统，包括相位测量仪，数字式移相信号发生器和移相网络三部分。
CPLD低频数字相位测量仪的设计
包括数字移相信 号发生 器和相位 测量仪 ２ 部分 ， 分别 完成移相信号的发生 、 频率 与相位差 的预置、 数字显示、 号的移相 以 信
及移相后信 号相位差和频率 的测量 与相识 等功能。 中数字 式移 相信号发生 器可 以产 生预置频率 的差值 ； 其 相位 测量仪可
以测量和显 示相位信 号的频率 、 位 差。 相
厂一
后， 将波形整形电路的２ ０ ］ 厂 厂 厂 厂 ］ ］
图 １ 波形变换 示意 图
的功能， 用以产生相位测量仪所需的输入正弦信号 。 其
技术 要 求 指标 ： 率 范 围２ Ｈｚ～ ０ Ｈｚ 频 率 步进 为 频 ０ ２ｋ ，
２Ｈ ， ０ ｚ 输出频率可预置； 相位差范围为０ ３ ９ ， ～ ５ 。相位差
（ 具有设定保存功能。 ５）
实现相位 、 频率的测量， 并且具有独 自的控制功能和数
字显示 功能。
１１系统硬件 结构 ．
首 先 将 被 测 ２列 正
弦 信号 Ａ 、 Ｂ经平 滑 滤 波
后 ， 入 过 零 比较 电路 ， 输
Ａ
１系统硬件设计
总体要求 ： （ ） 有相 位 测量 功 能 ， １具 即相 位 测量 仪 的 功 能 。 其
传 感 及 检 测 仪 表
Ｃ Ｌ 低频 数 字 相 位 测 量 仪 的设 计 ＰＤ
朱 红梅 ， 美 君 潘
（ 海西部矿 业铅业 摘
要： 绍 了一种基 于复杂的可编程逻辑 器件（ Ｌ 和 高速 单片机ｓ ｃ８ ｃ ８ 介 ＣＰ Ｄ） Ｔ ９ ５ 的低频数字 相位 测量仪 。 该测量仪
京航 天航 空 大 学 出版 社 【］ 白英 彩 ． 型 计 算 机 常 用 芯 片 手 册 【 ． 海 ： 海科 学 ３ 微 Ｍ】 上 上
毕业设计论文《低频数字式相位测量仪》
毕业设计论文《低频数字式相位测量仪》摘要该数字式相位测量仪以单片机 (89c52) 为核心 , 通过高速计数器 CD4040 为计数器计算脉冲个数从 , 而达到计算相位的要求 , 通过 8279 驱动数码管显示正弦波的频率，不采用一般的模拟的振动器产生 , 而是采用单片机产生 , 从而实现了产生到显示的数字化 . 具有产生的频率精确 , 稳定的特点 . 相移部分采用一般的 RC 移相电路 , 节省了成本。
一方案论证与比较 :1 常见正弦信号的测量方法 :方案一：采用模拟分离元件如二极管，三极管等非线性元件，实现频率的测量，检相的功能，使用起来方便，价格便宜，但采用分离元件由于分散性太大，不便于集成及数字化，而且测量误差大。
方案二：采用集成的检相器，检频器实现频率及相位的测量。
这种方法的实现框图如下：这种方法虽然可实现比较精确的测量，但由于模拟信号易受外界的干扰，不易调节，无法实现智能化，数字化的缺点，一般在要求较低的情况下使用。
方案三：此方案采用高速信号发生器产生 20MHz 的高频信号，其主要特点是采用 CD4040 高频计数器结合单片机，利用计数脉冲实现测量相位与频率的目标。
这种方法克服了模拟电路的缺点，实现了数字化与集成化。
本设计采用了这种方法。
这种方案的组成框图：二系统总体设计按照题目要求，我们设计的相位测量系统包括三部分：正弦波产生系统（包括频率调整电路），移相电路和相位显视系统，其总体框图如下：三各部分硬件电路设计及参数计算1、正弦波产生电路•方案一：利用 8038 芯片或 MAX038 可以实现压控的函数发生器通过改变少量的外围元件，可实现正弦波，方波，三角波，并可实现频率调节，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使使用单片函数发生器，参数也与外部元件有关，外接的电阻，电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度差，精度低，抗干扰能力差，调节困难，成本也高。
而且灵活性差，不能实现智能化。
低频数字式相位测试仪的设计与实现
低频数字式相位测试仪的设计与实现尹晓慧;陈劲;张宝菊;王为【摘要】基于过零检测法,以微控制器ATmega 128和可编程逻辑器件EPM1270为核心,设计并实现了对双路同频低频信号的相位差和频率进行测量的系统.在一个可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)内实现了数字式相位差和频率的数据采集,简化了系统设计.系统可以对200 Hz～10 kHz频率范围内的信号进行相对精确的测量,与传统相位测量仪相比,具有硬件电路简单、测量速度快和易于实现等优点.【期刊名称】《天津师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(032)001【总页数】4页(P39-42)【关键词】相位测量;频率测量;CPLD;微控制器;液晶显示【作者】尹晓慧;陈劲;张宝菊;王为【作者单位】天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387【正文语种】中文【中图分类】TM932在电子测量技术中，相位测量是最基本的测量手段之一，相位测量仪是电子领域的常用仪器.随着相位测量技术广泛应用于国防、科研和生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展.在低频范围内，相位测量在电力和机械等部门具有非常重要的意义［1］，目前相位测量主要运用等精度测频和锁相环（Phase Locked Loop，PLL）测相等方法.研究发现，等精度测频法具有在整个测频范围内保持恒定高精度的特点，但该原理不能用于测量相位［2］.PLL测相可以实现等精度测相，但电路调试较复杂.因此，本研究选择直接测相法作为低频测相仪的测试方法.对于低频相位的测量，使用传统的模拟指针式仪表显然不能满足所需的精度要求，随着电子技术和微机技术的发展，数字式仪表因其高精度的测量分辨率以及高度智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用因此，本研究设计并实现了以CPLD和微控制器（Micro Control Unit，MCU）为核心的低频数字式相位测量仪.相位差测量的基本原理有3种：对信号波形的变换比较、对傅氏级数的运算和对三角函数的运算［2－3］.3种原理分别对应过零检测法、倍乘法和矢量法3种测量相位差的方法.过零点检测法是一种将相位测量变为时间测量的方法，其原理是将基准信号的过零时刻与被测信号的过零时刻进行比较，由二者之间的时间间隔与被测信号周期的比值推算出两信号之间的相位差.这种方法的特点是电路简单，且对启动采样电路要求不高，同时还具有测量分辨率高、线性好和易数字化等优点.任何一个周期函数都可以用傅氏级数表示，即用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，倍乘法测量相位差所用的运算器是一个乘法器，2个信号是频率相同的正弦函数，相位差为φ，运算结果经过一个积分电路，可以得到一个直流电压V＝k cosφ，电路的输出和被测信号相位差的余弦成比例，因此其测量范围在45°以内，为使测量范围扩展到360°，需要附加一些电路才可以实现.倍乘法由于应用了积分环节，可以滤掉信号波形中的高次谐波，有效抑制了谐波对测量准确度的影响. 任何一个正弦函数都可以用矢量来表示，如各个正弦信号幅度相等、频率相同，运算器运用减法器合成得到矢量的模V＝2E sinφ／2.矢量法用于测量小角度范围时，灵敏度较好，可行度也较高；但在180°附近灵敏度降低，读数困难且不准确.由于系统输出为一余弦或正弦函数，因此这种方法适用于较宽的频带范围［1］.上述3种测量相位的方法各有优势，从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看，过零检测法的输出正比于相位差的脉冲数，且易于实现数字化和自动化，故本研究采用过零检测法.采用过零检测法需要对被测信号的周期进行测量，由于信号的周期与频率之间呈倒数关系，本研究采用测量被测信号频率的方法实现对其周期的测量.频率测量的方法很多，可分为2大类：第1类是单位时间内测量脉冲周期的方法，这种方法的优势是能够用标准的基准单位时间对被测信号时钟进行脉冲测量，简单方便，容易实现，但是由于使用了基准的单位时间，所以测量脉冲时，如果被测信号的周期接近基准时钟的周期，测量的准确度就会下降，精度难以得到保障，所以这种方法只适合于测量高频信号，或者说这种方法只适合于基准时钟周期比被测信号周期大得多的情况；第2类测量方法是使用高频时钟对被测信号的单个时钟周期进行高频计数，这种方法的优点是使用高频时钟对被测信号的单个时钟周期进行高频计数可以在一个被测信号周期内完成对频率的测量，对于低频被测信号具有较高的精度，但设计较为复杂.本研究所涉及的频率测量范围为200 Hz～10 k Hz，属于低频信号，因此可以采用高频时钟的方法对频率进行测量.每种测量方法均存在2种具体的测量手段：一种是利用专用频率计模块来测量频率，如ICM7216芯片，其内部自带放大整形电路可以直接输入正弦信号，外部振荡电路部分选用由一块高精度晶振和2个低温度系数电容构成的10 MHz振荡电路，其转换开关具有0.01 s、0.1 s、1 s和10 s共4种闸门时间，量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果；另一种方法是利用CPLD和MCU来实现频率的测量，将被测信号通过模拟电路转换为方波信号输入EPM1270的某一I／O端口，在CPLD内部实现频率的采集，最后将计数值送入MCU处理并输出至液晶予以显示.比较2种测量手段，利用实验室现有条件，本研究采用CPLD和MCU实现对被测信号频率的测量.利用单片机控制计数器工作，硬件简单且频率测量精度高，这是目前较为成熟的一种高精度测频方案.系统的设计目标是实现双路同频率正弦波信号相位差和频率的测量.本研究采用数字鉴相技术在保持模拟式相位测试优势的同时，提出并实现了一种基于CPLD的低频数字式相位测试仪.该系统主要由数据采集电路、数据运算控制电路和数据显示电路3部分构成，采用CPLD和AVR单片机相结合构成整个系统的测控整体.CPLD主要负责数据采集，单片机负责读取CPLD采集的数据，再根据这些数据作出相应计算，并通过液晶将结果显示出来.系统在保持模拟式相位测试优点的同时，具有抗干扰能力强、外围电路简单和易于实现等优点［4－5］.测量相位差的具体方法为：先通过比较电路将两路同频率正弦信号分别转换为相应的脉冲信号将其中一路信号直接送入D触发器，作为触发信号；另一路信号通过反相器取反后与复位信号相与，将得到的结果送入D触发器的清零端，由D触发器输出一脉冲信号，此脉冲波形的脉宽为t，经过微处理器进行相应计算处理后得到两信号的相位差［6－7］.设计中频率测量的具体方法是：被测信号转换后形成脉冲信号，利用其上升沿触发计数器对基准时钟开始计数，处于下降沿时则停止计数，所得计数为N，利用t＝N×T／2，f＝1／t，其中T为所用晶振的时钟周期，利用单片机系统编程实现该运算式，即可求得频率，并将运算结果送液晶显示.系统的原理框图如图1所示.3.2.1 模拟部分模拟电路部分要将同频率的两路正弦信号转换为方波输出，电路采用电压比较器LM393.LM393内有2个电压比较器，两路信号分别接2个比较器同相输入端，将反相输入端接地，即构成过零比较电路.前级的射随器采用LM353，其作用是提高输入阻抗，提高负载.过零比较器使用芯片LM393来实现，该芯片性能较好，能够有效提取正弦波的过零点.选择使用过零点这种判断方法是因为正弦波在过零点的时候，斜率具有极大值，即使两列正弦波幅度略有不同，也不会对测量结果造成过大影响，所以芯片上输出口的上拉电阻主要用于控制高低电平输出的大小.图2和图3分别是A、B两路同频率正弦信号经过模拟电路转化为方波的电路图，其中W31和W32同时接通时构成跟随器，W32和W34同时接通时构成比例放大器.3.2.2 部分参数选择整个电路设计中，参数的选取至关重要，CPLD中计数器的时钟频率要选择恰当，时钟的脉宽要保证输入方波信号的高电平时间Δt最小时存在计数值，即系统能够采集Δt最小时的输入信号；同时，还要保证Δt最大时，计数器存在计数值，即能够采集到最大的相位差360°.根据相位误差范围的要求，计算Δφ＝Δt／T×360°＝0.5°，当 T＝10 k Hz时，Δt＝0.139μs，分频系数＝0.139／0.05＝2.78，故本设计采用2分频.由于AVR单片机数据位的限制，最终得到下限频率取200 Hz，此时，系统测量的展伸不确定度范围符合设计要求.系统的软件设计流程图如图4所示.本研究使用模块化的设计方法，所以软件模块和硬件模块均首先各自独立进行调试，独立调试通过后，再进行系统的软硬件综合调试.在调试输入波形整形模块时，首先检查该模块所有芯片的工作电压是否正常，调整工作电压后，再测试射随器的输出电压，如果其输出电压正常，则测试过零比较器的输出端，看其电压是否正常；如果不正常，可以稍微调整负载电阻，使其输出电压正常.实验所得数据均为正常情况下于实验室中测试得出，测试结果如表1所示.由表1数据可知，系统可以测量一定频率范围内2个同频正弦信号之间的相位差，并能达到稳定的测量精度（理论推算为0.5°，实际可达±3°）.测试结果存在的误差来源于所选基准时钟的准确性以及采用软件计数存在一定的延时.在实际应用中，CPLD可采用更高的晶振频率来增加频率的测量范围，并提高测量精度.本研究以微控制器ATmega 128和可编程逻辑器件EPM1270为核心，将单片机控制技术和电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA应用技术有机结合在一起，完成了低频数字式相位测试仪的设计与制作.由于可编程逻辑器件可以完成较大且较为复杂的逻辑处理任务，而且它灵活方便，易于移植，可通用性强，因此系统主要的逻辑功能均在可编程逻辑器件内部完成.本研究所设计的低频数字式相位测试仪采用CPLD，外围电路较为简单，工作可靠，电路调试和维护简单易行.【相关文献】［1］田秀丰，何继爱，李敏.低频数字式相位测量仪的设计［J］无线电通信技术，2008（2）：55－61.［2］陈明杰.低频数字相位（频率）测量的CPLD实现［J］.微计算机信息，2008，24（32）：224－225.［3］缪晓中.基于MCU＋CPLD的相位差和频率的测量方法研究及实现［J］.国外电子元器件，2008（7）：10－12.［4］姚远，王丽婷，郭佳静.低频数字式相位测量仪［J］.电子世界，2004（5）：39－41. ［5］潘洪明，邹立华，方燕红.同频正弦信号间相位差测量的设计［J］.电子工程师，2003，29（3）：41－42.［6］欧冰洁，段发阶.超声波隧道风速测量技术研究［J］.传感技术学报，2008，21（10）：1804－1807.［7］车惊春，韩晓东.Protel DXP印制电路板设计指南［M］.北京：中国铁道出版社，2004：94－110.［8］龙腾科技.Protel DXP循序渐进教程［M］.北京：科学出版社，2005：22－52.。
数字式相位差测量仪的设计
目录绪论 (1)1 系统设计方案 (2)1.1 设计任务的分析 (2)1.1.1 设计主要内容及基本要求 (2)1.1.2 技术指标 (2)1.2 系统方案的选择 (2)1.3 系统的总体设计方案 (3)2 系统硬件电路的设计 (4)2.1 信号整形电路的设计 (4)2.1.1 LM339 的简介 (4)2.1.2 最简单的信号整形电路的设计 (4)2.1.3 采用了施密特触发器组成的信号整形电路的设计 (5)2.2 FPGA数据采集电路 (6)2.2.1 FPGA数据采集电路的功能分析 (6)2.2.2 FPGA数据采集电路的原理 (7)2.2.3 FPGA数据采集电路中各模块确定 (7)2.3 单片机数据运算控制电路的设计 (8)2.3.1 单片机数据运算控制电路的设计 (8)2.3.2 数据显示电路的设计 (9)3 软件部分的设计 (12)3.1 FPGA数据采集电路的VHDL语言程序设计 (12)3.1.1 VHDL语言的简介 (12)3.1.2 VHDL语言程序设计 (12)3.2 单片机数据运算控制电路的程序设计 (12)3.2.1 数据处理的技巧分析 (12)3.2.2 软件设计思路 (13)4 系统的仿真与调试 (17)4.1 FPGA数据采集电路的调试 (17)4.1.1 软件调试 (17)4.1.2 程序下载 (19)4.1.3 调试中的问题 (20)4.2 单片机数据运算控制电路的软件制作与调试 (20)4.2.1 操作过程 (20)4.2.2 问题分析 (21)4.3 系统的联合调试与验证 (21)结论 (22)参考文献 (23)附录一：元器件清单 (24)附录二：程序清单 (25)致谢 (46)数字式相位差测量仪的设计摘要本设计——数字式相位差测量系统使用FPGA和单片机相结合，构成整个系统的测控主体。
FPGA主要负责采集两个同频待测正弦信号的频率和相位差所对应的时间差，而两个同频待测正弦信号经过信号整形电路变成方波后送入FPGA数据采集电路中。
数字相位测量系统设计
数字相位测量系统设计摘要本论⽂针对在个⼯业和民⽤场合，为了对各种低频信号进⾏分析，常常引⼊相位测量,⽽典型的传统⽅法是通过显⽰器测量,这种⽅法误差⽐较⼤﹑读数不⽅便等问题，本论⽂就此问题设计了⼀种数字相位测量仪对其进⾏相位时间间隔测量。
以单⽚机AT89C51为核⼼，⽤零⽐较器LM393将正弦波信号转换为⽅波，通过由D触发器组成的双稳态触发器实现两⽅波信号的相位差，将得到的信号经过模拟开关进⾏整幅，使之⾼电平为基准电压4.98V,低电平为0V，整幅后的波形经整流滤波形成直流电压，对不同的占空⽐输⼊直流电压在0V～4.98V,⽤16位A/D7705进⾏采样,可使其精度远⼤于设计要求的0.1°。
显⽰采⽤七段LED数码管，并⽤MAX7219作为显⽰器的驱动，对LED的亮度进⾏调节。
论⽂设计了相位⽐较电路、移相电路、显⽰电路、直流稳压电路。
系统采⽤软硬件结合的⽅式，测量精度⾼、稳定性好、操作简单，适合使⽤于各种需要的低频相位测量场合。
关键词:相位测量、相位时间间隔测量、单⽚机（AT89C51）Abstractanalyzed, This paper in a industrial and civil occasions, in order to all kinds of low frequency signal is often introducing phase measurement, the typical and traditional way is through display measuring, this kind of method error is bigger, reading is convenient wait for a problem of this issue, this paper designs a digital phasic measuring instrument for its phase time-interval measurement.With single-chip microcomputer AT89C51 as the core, with zero comparator LM393 will sine signals converts square-wave by D flip-flop, composed of bi-stable flip-flop reach two square wave signal of phase, will receive the signal for the whole picture after analog switch, make high level for the datum voltage 4.98 V, low level for 0V, whole picture after the formation of the waveform dc voltage rectifying filtering for different 390v input dc voltage in 0V ~ 4.98 V, with 16 A/D7705 sampling, can make its precision far outweigh the design requirements of 0.1 °. LED digital display using seven section, and MAX7219 as monitor tube to drive, LED the brightness of the adjusted. Paper designed a phase comparison circuit, phase shifting circuit, display circuit, dc voltage circuit. System adopts hardware and software combination way, high accuracy, good stability, simple operation, and suitable for use in various needs of low-frequency phase difference measurement occasion.keywords: Phase difference measurement Phase time-interval measurement SCM(AT89C51)⽬录1．绪论 (5)1.1 国内外相位检测技术的发展现状 (5)1.2 本课题研究的主要内容 (6)1.3 本课题研究的⽬的和意义 (7)2．低频数字相位测量系统的总体⽅案设计 (8)2.1相位的基本概念 (8)2.2相位测量的技术指标 (8)2.3系统任务需求分析 (9)2.3.1课题要求 (9)2.3.2发挥部分 (9)2.4相位测量的原理 (9)2.5 设计⽅案的⽐较论证 (10)2.6单⽚机AT89C51功能简介 (12)2.6.1主要性能功能参数 (12)2.6.2 AT89C51特性功能概述 (13)3．相位测量硬件的设计 (14)3.1 系统总体结构的设计 (14)3.2 相位⽐较电路的设计 (14)3.3 A/D转换电路的设计 (15)3.4 键盘与显⽰电路的设计 (16)3.4.1主要性能 (16)3.4.2引脚功能 (16)3.4.3⼯作时序及转换原理 (16)3.4.4 AD7705数字接⼝及电路 (17)3.4.5⽚内寄存器 (18)3.5直流电源电路的设计 (20)3.6芯⽚MAX7219的简介 (20)3.6.1MAX7219的性能 (20)3.6.2管脚配置 (20)3.6.3典型应⽤电路 (22)3.6.5读写时序说明 (23)3.7直流电源电路的设计 (23)4．移相⽹络电路设计与参数计算 (25)5.1移相⽹络电路 (25)5.2移相⽹络参数设计 (25)5.3数字移相信号发⽣器 (27)5．系统软件流程设计 (30)结论 (31)致谢 (32)参考⽂献 (33)1. 绪论1.1国内外相位测量技术的发展现状现代相位测量技术的发展可分为三个阶段：第⼀阶段是在早期采⽤的如李沙育法、阻抗法、和差法、三电压法等，这些测量⽅法通常采⽤⽐对法和平衡法，虽然⽅法简单，但测量精度较低；第⼆阶段是利⽤数字专⽤电路、微处理器等来构成测试系统，使测量精度得以⼤⼤提⾼；第三阶段是充分利⽤计算机及智能化测量技术，从⽽⼤⼤简化设计程序，增强功能，使得响应的产品精度更⾼、功能更全。
低频数字式相位测量仪
低频数字式相位测量仪设计报告目录1方案设计与论证2 1．1移相网络设计方案2 1.2相位测量仪设计方案3 2系统设计3 2.1总体设计32.1.1系统框图3 2.1.2模块说明4 2.2各模块设计及参数计算4 2.2.1移相网络设计及R、C参数设定4 2.2.2相位测量仪设计52.2.3软件系统63.结论64.参考文献75．附录7系统设计图7摘要本系统以单片机为核心，辅以必要的模拟电路，构成了一个基于具有高速处理能力的低频数字式相位测量仪。
该系统由相位测量仪和移相网络组成；移相网络能够产生-45~45°相位差的两路信号；相位测量仪能够测量出具有0°~359°的两路信号的相位差，绝对误差小于2°，具有频率测量及数字显示功能。
经过实验测试，以上功能均可以准确实现。
关键字：单片机移相相位差数字显示1方案设计与论证1．1移相网络设计方案本设计的核心问题是信号的模拟移相程控问题，其中包括波形相位以及波形幅度的程控。
在设计过程中，我们首先考虑了赛题中提供的方案。
如图1-1所示：V1VV2图1-1该模拟电路主要采用高、低通电路的临界截止点来产生极值相位的偏移。
当高、低通电路的截止频率等于输入信号频率时，根据其幅频特性，信号波形所产生的相位分别为45°和-45°，恰好满足赛题要求的连续相移范围-45°~45°的调节。
由于高、低通电路在截止点时会产生幅度的衰减，故电路在后级加了放大电路，且采用了电压串联负反馈的方式提高了输入阻抗并降低了输出阻抗，电路最后还设计有调幅装置，能够很好地满足A、B输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3V—5V范围内变化。
综上所述，该移相网络能够满足赛题的所有要求，且电路设计简单、易行，故我们直接采用了这种方式来产生模拟的相移输出。
1.2相位测量仪设计方案方案一：检相器可以利用正弦波形的正半周和负半周的对称特性。
DDS-6数字式甚低频电磁仪的研制
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收稿日期!"#$ "% !" 作者简介龙祥忠##%$%. $!男!重庆人!重庆地质仪器厂工程师!主要从事仪器研发工作!重庆市沙坪坝区先锋!号+ 2M@*"!& ,%,'&#"#!KQ/>;@*EM?/>EH;EC%#!')NA/&
其中 +!!&%表 示 测 量 参 数 是 电 场频 率 为 !!&%,-.
'!甚低频野外工作方法及资料整理和解释 *&#!甚低频野外工作方法
野外工作方法可分为倾角法和波阻抗法两 种当所探测对象为低阻体时最好使用倾角法 进行甚低频测量尤其在接地条件不良时更应如此 如需要了解测区内水平方向上电阻率的变化则最 好使用波阻抗法进行电阻率填图 *&#&#!倾角法
图-!试验二 ##$ &电磁仪测量剖面曲线
上极化椭圆倾角 $8%!"7!%%"7'两种型号仪器基 本上是吻合的!
电子设计竞赛分类
第一部分电源与信号源类
课题1 简易数控直流电源
课题2 直流稳定电源
课题3 数控直流电流源
课题4 实用信号源的设计和制作
课题5 三相正弦波变频电源
课题6 开关稳压电源
第二类仪器仪表及放大器类
课题1 实用低频功率放大器
课题2 简易电阻、电容和电感测试仪课题3 简易数字频率计
课题4 测量放大器
课题5 数字式工频有效值多用表
课题6 频率特性测试仪
课题7 波形发生器
课题8 高效率音频功率放大器
课题9 电压控制LC振荡器
课题10 宽带放大器
课题11 低频数字式相位测量仪
课题12 简易逻辑分析仪
课题13 正弦信号发生器
课题14 集成运放参数测试仪
课题15 简易频谱分析仪
课题16 音频信号分析仪
课题17 数字示波器
课题18 程控滤波器
第三类数据采集与处理类
课题1 多路数据采集系统
课题2 简易数字存储示波器
课题3 数据采集与传输系统
第四类高频电子线路（无线电）类课题1 简易无线电遥控系统
课题2 调幅广播收音机
课题3 短波调频接收机
课题4 调频收音机
课题5 单工无线呼叫系统
课题6 无线识别装置
第五类控制类
课题1 水温控制系统
课题2 自动往返电动小汽车
课题3 简易智能电动车
课题4 液体点滴速度监控装置
课题5 悬挂运动控制系统
课题6 电动车跷跷板。
学 生 创 新 成 果
林佩晓
骆懿
嵌入式 Linux GUI 研究 与应用探讨
浙江省三等奖
谢东福
黄继业
基于 Nios 软核与以太网 的大屏幕 LED 显示系统
浙江省三等奖
董兴林，杨昊，俞飞杰等
基于 WEB 企业经营决策模 拟对抗训练系统开发
浙江省三等奖
陈琪，曹洋，施加琦
管道电缆敷设的规划模 型和混合遗传算法
浙江省三等奖
2003 年浙江省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛获奖情况
基于校园网的虚拟教室 设计的研究
学分制下学生管理模式的 创新和实践 戴绍挺
作者 许志益 陈辉
施兴敏
李乃亮 金瑞明 韩大鹏 宫华萍 一种手机 放水外套
发表刊物（刊物名称， 卷、期、页码）
获奖或检索
物理学报,2006.(7) SCI 收录期刊
DCDIS Proceedings 3 (2005) 114-119.
2
2．学生挑战杯获奖情况
2005 年浙江省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛获奖情况
参赛队员
指导教师
参加作品
获奖等级
阮俊，刘宝钟，张博等
李光球
恒定功率自适应调制的 性能研究
浙江省二等奖
陈小彩
客车外观 CAD 设计与虚拟 动画展示
浙江省二等奖
管红登 戴震 李迪挺
骆 懿 红外智能网络门禁系统
浙江省三等奖
国家一等奖，省一等奖 国家一等奖，省一等奖 国家二等奖，省二等奖 国家二等奖，省二等奖
省二等奖 省三等奖 省三等奖 省三等奖 省三等奖
省三等奖 成功参赛奖 成功参赛奖 成功参赛奖 成功参赛奖
纪念奖 纪念奖
1
李涛 叶孝华 侯永刚 袁妙玲 金刚石 李堂忠 李春良 沈煜 闫志新 陈春光 黄鹏 陈帮勇 章国平 魏武 刘智力 王钛
全国大学生电子设计大赛之历年全国赛题篇(Word版)历年电子竞赛归纳总结
21世纪内截止2008年电子设计竞赛题目共计：6+6+7+(5+4)=28
积分式直流数字电压表（G题）
【高职高专组】
数据采集与处理类
题目二 多路数据采集系统
E题数字化语音存储与回放系统
E题 数据采集与传输自动往返电动小汽车
简易智能电动车（E题）
液体点滴速度监控装置（F题）
悬挂运动控制系统（E题）
电动车跷跷板（F题）
电动车跷跷板（J题）
【高职高专组】
【高职高专组】
仪器仪表类
题目四 简易电阻、电容和电感测试仪
B题 简易数字频率计
B题 数字式工频有效值多用表
C题 频率特性测试仪
B题 简易数字存储示波器
低频数字式相位测量仪（C题）
简易逻辑分析仪（D题）
集成运放测试仪（B题）
简易频谱分析仪（C题）
音频信号分析仪（A题）数字示波器（C题）
程控滤波器（D题）
电压控制LC振荡器（A）
A正弦信号发生器
信号发生器（H题）
【高职高专组】
高频无线电类
题目三 简易无线电遥控系统
D题 调幅广播收音机
D题 短波调频接收机
F题 调频收音机
单工无线呼叫系统（D题）
无线识别装置（B题）
放大器类
题目一 实用低频功率放大器
A题测量放大器
D题高效率音频功率放大器
宽带放大器(B)
可控放大器（I题）
1994年
1995年
1997年
1999年
2001年
2003年
2005年
2007年
低频率数字相位差测量仪设计
引言相位差测量数字化的优点在于硬件成本低、适应性强、对于不同的测量对象只需要改变程序的算法，且精度一般优于模拟式测量。
在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中，常常需要测量两列同频率信号之间的相位差。
例如，电力系统中电网并网合闸时，需要求两电网的电信号的相位差。
相位差测量的方法很多，典型的传统方法是通过示波器测量，这种方法误差较大，读数不方便。
为此，我们设计了一种基于锁相环倍（分）频的相位差测量仪，该仪器以锁相环倍（分）频电路为核心，实现了工频信号相位差的自动测量及数字显示。
论文摘要本系统为低频数字式相位/频率测量仪，由移相网络模块、相位差测量模块及频率测量模块三大部份构成，其系统功能主要是进行相位差测量及频率测量。
移相网络主要是由RC移相电路和LM324运放电路组成，将被测信号送入移相网络，经RC移相、LM324隔离放大，产生两路信号，一路为基准信号经过波形转换，另一路为移相后的信号。
分别经过波形转换、整形、二分频送给相位测量模块及频率测量模块。
相位差测量仪主要是由锁相环PLL（Phase Lock Loop）产生360倍频基准信号和移相网络的基准信号与待测信号进行异或后的信号作为显示器的闸门电路和控制信号。
频率测量模块主要是用计数法测量频率的，它是有某个已知标准时间间隔Ts内，测出被测信号重复出现的次数N，然后计算出频率f=N/Ts.显示电路模块主要是由计数器、锁存器、译码器和数码管组成。
低频率数字相位测量仪目录1设计任务书 (3)2设计方案概述 (3)3系统的组成………………………………………………………………………………4.3.1总体框图 (4)3.2移相网络部分 (4)3.3相位测量部分 (6)1)波形转换、整形放大 (8)2)锁相环倍频 (9)3)闸门电路 (11)4)控制门 (11)5)计数器 (11)6)锁存器 (11)7)显示译码器与数码管 (11)3.4频率测量部分 (12)1)数字频率计的基本原理 (12)2)系统框图 (12)4附录………………………………………………………………………一、设计任务书（一）任务设计仿真一数字相位计（二）主要技术指标与要求：（1）输入信号频率为1KHZ～20KHZ可调（2）输入信号的幅度为10mV（3）采用数码管显示结果，相位精确到0.1°（4）采用外部5V直流电源供电（三）对课程设计的成果的要求（包括图表）设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书。
数字式相位差测量方法及精度分析
I
(12)
定义
SN R in
=
PA2 σ2N / B
I
,则
SN
R
out ≈
n·SN R 4π·B L
in
(13)
测量误差信号是一个随机过程 ,因而相位差的测量方差为[4 ]
σ2<∝1/
SN R out
=
4πB L n·SN R in
(14)
3 相位差测量精度的仿真
定义 sin <k 的测量 RMS 误差为
I2 k = U mkcos ( k·ωI/ Fs + φ2 k) + n2′= S 2 k + n′2 k (6)
其中 , Fs 是采样频率 ; n′1 k , n′2 k为 n1 , n2 的采样与量化误差 之和 。
图 2 辐射源信号及其包络 Fig. 2 Signal S 1 , S 2
图 3 信号 S 1 , S 2 的频谱 Fig. 3 Spectrum of S 1 , S 2
其中 T 是用于测量和信号时间长度 , K = T/ Ts , Ts 是采样间隔 。
仿真按下面的参数进行 : f I = 30M Hz , PW = 0. 33μs , PRF = 200 Hz , PA = 1 , SN R = 16 ,A/ D 的位数
N AD为 10bit , Fs = 120M Hz , B I = 3M Hz , B L = 10 Hz , T = 1s。而 < = 2π·f d·t , f d = 0. 5 Hz 。
数字式相位差测量方法及精度分析 Ξ
邓新蒲 ,卢启中 ,孙仲康
(国防科技大学电子科学与工程学院 ,湖南 长沙 410073)
基于430的低频相位测量仪设计报告(第一版)
2014年重庆市大学生“TI”杯设计报告（仪器仪表类）题目名称：低频数字式相位测量仪参赛队员：彭明闯、胡少怡、郑涛指导教师：参赛学校：重庆大学城市科技学院一、设计目的相位测量技术的应用已深入到许多领域，广泛应用于国防、科研、学校和厂矿，传统相位测量使用的是指针式仪表，但随着电子技术的发展，数字显示相位仪不断涌现。
利用了MSP430单片机的高速硬件捕获功能来实现频率和相位的测量;并对输出波形进行比较及采样，通过合理的算法取得更高的精度，并采用大屏幕液晶显示测量详细信息，这使得在测量低相位的时候，更加的简便和精确，系统硬件结构简单，频率、相位稳定度高；采用液晶显示和按键设置频率及相位差。
移相网络电路按题目要求由常规的模拟器件组成。
本系统主要由相位测量、移相网络和处理系统、输出模块组成。
二、设计要求设计并制作一个低频数字式相位测量系统，包括相位测量、移相网络两部分。
1、频率范围：20Hz~20kHz。
2、相位测量仪的输入阻抗≥100kΩ。
3、允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1~5V范围内变化。
4、相位测量绝对误差≤2℃。
5、相位差数字显示：相位读数为-45.0°~+45.0°，分辨率为0.1。
6、移相网络1）输入信号的频率：100Hz、1kHz、10kHz2）连续相移范围：-45.0°~+45.0°3）两路输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3~5V范围内变化。
其框图如图1所示。
移相网络相位测量图（1）三、设计的具体实现1、硬件设计低频数字式测相仪由移相网络，相位测量，数字处理，显示模块四部分组成，此电路不仅可以调节由输出两路波形之间的相位差，而且还可以调节输出波的幅值，其变化范围在1-5V；它能够测量出100HZ，以及1000HZ和10000HZ的输入波并移相之后的相位差，并采用1602液晶显示屏显示测量数据，当电路接通电源后，调节输入波形频率及电路中的相应电阻档位，通过单片机的计算输出相应的相位差。
数字式相位差测量系统(基于51单片机)
数字相差检测仪的制作专业：电气班级：XX班学号：XXXXXXXXXX 学生姓名：XXX指导教师：XX目录摘要： ............................................................................................................... 错误!未定义书签。
Abstract: ............................................................................................................. 错误!未定义书签。
第一章绪论. (5)1.1 测量相位差的作用和意义 (5)1.2 相位差测量的研究现状 (5)1.3本课题研究的主要内容 (7)第一章：最小二乘法以及快速傅里叶变换简介 (8)1.1：最小二乘法简介 (8)2.1 主程序流程图 (12)2.2位倒序算法实现 (12)2.4 FFT算法的实现 (13)2.5 AD采样的使用 (14)2.6 定时器的使用 (15)第三章：硬件电路设计 (17)3.1 移相电路的设计 (17)3.2 电压跟随器模块 (17)3.4 电源电路 (18)3.4.1 变压器简介 (18)3.4.2 单相全桥整流电路 (19)结论 (20)致谢 ................................................................................................................... 错误!未定义书签。
参考文献（Reference).. (21)附录： (22)基于最小二乘法的低频数字相位差检测仪的研究摘要：常见的相位差检测方法一般是过零法，通过外部硬件电路对正弦信号的零点进行检测，产生的脉冲信号出发MCU的外部中断，通过MCU的定时器计算出信号的频率以及相位差。
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电子测量原理
低频数字式相位测量仪
班级:电子信息工程
姓名：何静峰
学号:20１140751５8
日期:2０１４年4月15日
系统方案
１ 相位测量仪方案
方案一：单周波计数法。
将有相位差的两路方波信号进行”异或”后作为闸门，在高电平时，利用外部高频信号进行计数，在下降沿将数据读出,低电平时对计数器清零。
设晶振频率为f c ，测得信号的频率为f r ，计数值为N ，则相位差ｐh ａs ｅ为
o c r N f f phase 180⨯⨯=
方案二：定时间计数。
将高频时钟信号和两路信号异或得到的信号进行“与”，在设定时间s 内利用其上跳变沿计数，设高频时钟频率为f ｃ,计数值为N,则
o c sf N phase 180⨯=
方案三：多周期同步计数法。
设被测信号的频率为f,则将一被测信号进行ｆ1倍（f 取整）分频，则在f 1周期内(保证测量时间在1ｓ左右)，被测信号异或与参考高频信号相与的信号sin ｇal1的计数为Ｎ1,同时期参考高频信号的计数为Ｎ,则
o N N phase 1801⨯=
以上三种方案都可以采用一个D 触发器将相位测量的相位扩展到o 0-o 360。
方案一需高速时钟,按题目要求,在20kHz 信号时的相位差分辨率为0．1ｏ，则要求时钟最少为７2ＭＨz ，实现困难。
而方案二测量时间段一定，存在遗漏0~1个周波的情况，从而引入较大的误差。
方案三的读数与异或得到的信号同步,不存在遗漏问题，误差很小,故采用此方案。
2 移相信号发生器
⑴频率合成器方案
方案一：采用函数发生器8０3８。
可以同时产生正弦波、三角波、方波，频率可由调制电压控制，但此方案难以实现相移,而且输出频率不稳定。
方案二:采用直接数字频率合成(DDＦS)方案。
用存储器存储所须的波形量化数据，采用不同时钟频率的地址计数器，根据计数值读出存储器中的量化数据，再经Ｄ/A转换后滤波整形输出。
此方案可以很好地控制两路波形的相位差以及频率。
经上述比较，我们采用方案二。
⑵幅度控制
方案一:利用可调电位器手动调节电压幅值。
方案二：通过控制D/A的参考电压控制输出波形的幅度。
参考电压可通过对另一Ｄ／A置数从而输出不同电压，进而控制输出波形的幅度。
方案二可以预置幅值，并且比较精确,方便操作,故选方案二。
经上面方案论证，我们采用如下的系统方案：
设计技术指标
(1)相位测量仪
a．频率范围：2０Hz～2０ｋHz。
b.相位测量仪输入阻抗≥１00ｋ。
ｃ.两路输入正弦信号峰-峰值在1V～5Ｖ范围。
ｄ．相位测量绝对误差≤2°。
e．具有频率测量及数字显示功能。
f.相位差数字显示:相位读数为0ｏ~３59.９o,分辨力为０.１°。
2
（２)移相网络
a．输入信号频率：１00Ｈｚ、1kＨz、10kHz。
b．连续相移范围：－4５°~+4５°。
c．Ａ＇、B＇输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.３Ｖ~5V范围内变化。
（１)数字式移相信号发生器
a．频率范围：２0Ｈz～2０kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。
b.A、B输出正弦信号峰-峰值在０.3V~5V范围。
c.相位差范围为０~3５9°，相位差步进为1°,相位差值可预置。
ｄ．数字显示预置的频率、相位差值。
(2）在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输
入正弦电压峰－峰值至0.３Ｖ~5Ｖ范围。
(３）用数字移相信号发生器校验相位测量仪,自选几个频点、相位差值和不同幅度进行校验。
图如下:
具体实施方案
１相位测量子系统
将待测波形经整形后变成数字信号，再对其进行频率及相位测量。
⑴整形电路
正弦信号经同相跟随后再放大一定倍数,可减小其上升时间,经过迟滞比较后
输出同频率的方波信号,为了使两路方波信号的相位差与输入的两路正弦信号相位差相同，两整形电路的参数须选得一致,保证相移相同。
为使信号上升沿陡度,经一级非门输出可得到上升时间为50ns左右的方波。
运放采用OＰ37,比较器采用高精度的ＬM3１1。
电路如图2所示。
图２整形电路
⑵相位测量
图3 相位测量硬件电路
两路被测信号异或后再与计数时钟信号“与“得到的信号1和高频计数时钟信号２，利用信号1、2上升沿计数,通过单片机控制计数周波数,再根据两计数值计算出相位差。
电路图如图3所示，采用两片8254级联,组成了32位计数器,大大提高了系统的精度。
对输入信号进行N倍分频（由单片机对825４进行控制），则可使读出N个整周波内的计数值，很大地减小了误差。
采用一个D触发器检测相位的超前与滞后使相位扩展到o0-o
360。
2 数字式移相信号发生器
采用直接数字频率合成技术(ＤDＦＳ),用两片EPRＯＭ２7128，存储相同的波形数据，分别由两路有设定数据差值的地址数据寻址即可输出有设定相移的两路波形。
图4是基于ＣPＬD的DＤFＳ技术原理框图。
图4 基于CPLＤ的DＤＦS实现
⑵ＣPLD的频率和相位控制
控制框图如图５:
图５频率和相位控制框图
⑶存储器及D/A转换电路
设单片机对控幅D/Ａ（DA0８3２)置数为D7D6Ｄ5D4D3Ｄ2D1D０,则DAC ０832给AD7５2４的参考电压为
5.2
2561222324252627234567⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=D D D D D D D V ref 输出波形的幅值为2V re ｆ 。
图6 ＤDFS 电路
３模拟移相网络原理分析
可调电阻3p R 下端电位为：jwC R jwC V V in +⨯
=下 上端电位为:jwC
R R V V in +⨯=上(V i ｎ为输入信号,w 为输入信号的角频率)。
通过调节电位器R P3来改变比例常数Ａ、B,从而改变输出信号的相位。
通过调节电位器RP １和R Ｐ２改变输出信号幅度，矢量图如图１0。
输出电压
))()((2
1111V B A j B A V j V B j V A V B A V in in in OUT --+=-⨯⨯++⨯
⨯=⨯+⨯=下
上 图７ 移相矢量图
根据题目要求，将1０0Hz、1kＨz、1０ｋHｚ时的电阻分别设为１６kΩ,1.6kΩ和16０Ω,电容不变,则电位器上下端电位均相对输入信号产生45o的相移。
1 系统操作说明
采用红外遥控键盘，有1０个数字键,六个功能菜单选择键。
其中，功能键为:频率,幅值(两个按键),相位,返回，换位,数字键为0~9十个数字量。
频率键、幅值键、相位键分别为信号设定频率、幅度、相位，其中，两个幅值键分别为两路信号设定幅值。
换位键用于数字换位(如从十位换到百位）利用数字键设定频率、幅度、相位时,须按返回使设定生效。
2软件设计流程
软件设计分为波形产生和相位测量两个模块：
⑴波形产生模块
此模块用来控制CPLD对EPROM寻址输出波形以及波形幅度，流程如图8。
图8 波形产生模块软件流程
⑵相位测量模块
此模块完成对相位和频率的测量并将结果送往液晶显示。
流程图如图9所示。
图９相位测量模块软件流程图
关键技术难点
本设计成功地结合了单片机和ＣPＬD的优点,使系统工作频带大大拓宽，特别是数字式移相信号发生器，输出频率精确,幅度误差小,系统运行稳定可靠。
但从测量数据来看，相位测量仪的误差较大,这主要是由于整形电路参数不可能完全一致，从而带来相位误差。
对于整形误差可以采用测量两被测信号的幅值，然后利用这两幅值和迟滞比较电平对相位差进行软件校正,可以提高相位测量的精度。