数字式相位差测量仪
低频数字式相位测量仪
低频数字式相位测量仪（C题）一、任务设计并制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部份，示用意如下：二、要求1、大体要求（1）设计并制作一个相位测量仪（参见图1）a．频率范围：20Hz～20kHz。
b．相位测量仪的输入阻抗≥100k。
c．许诺两路输入正弦信号峰-峰值可别离在1V～5V范围内转变。
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~，分辨力为°。
（2）参考图2制作一个移相网络a．输入信号频率：100Hz、1kHz、10kHz。
b．持续相移范围：－45°～＋45°。
c．A＇、B＇输出的正弦信号峰-峰值可别离在～5V范围内转变。
2．发挥部份（1）设计并制作一个数字式移相信号发生器（图3），用以产生相位测量仪所需的输入正弦信号，要求：a．频率范围：20Hz～20kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。
b．A、B输出的正弦信号峰-峰值可别离在～5V范围内转变。
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）在维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～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。
（4）其它。
三、评分标准四、说明1、移相网络的器件和元件参数自行选择，也能够自行设计不同于图2的移相网络。
2、大体要求（2）项中，当输入信号频率不同时，许诺切换移相网络中的元件。
3、相位测量仪和数字移相信号发生器相互独立，不许诺共用操纵与显示电路。
数字式相位差测量方法及精度分析
Ｓ ｃｒ ｏ ｐ ｉ ｈ ａ ｕ ｎ ｙ ｔ ｍ ｓｇ ｖ ｎ，ａ ｄ ｔ ｅｓｇ ａ ｔ ｏｓ ａ ｅｉ ａｃ ｌ ｔｄ， ｔ ｅ ｈ ｈ ｏ ｅ ｉ ｌ ｏ ｕ ａ ｖ ｎ ｌ ｓ ｎ ｔ ｅ ｓｇ ａｓ ｎ ｔ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｇ ｓ ｓ ｅ ｉ ｉｅ ｎ ｈ ｉ ｎ ｌ ｏ ｎ ｉ ｒ ｔ ｓｃ ｌｕ ａ ｅ ｓ ｉ ｅ ｈ ｎ ｔｅｔｅ ｒｔ ａ ｃｒｃ ｃ ａ ｏ ｈ ｓ ｆ ｒ ｎ ｅ ｖ ．Ｔｈ ｃ ｕ ａ ｙ ｉ ａｓ ｅ ｆ ｙ ｔ ｅ ｓｍｕａ ｉｎ ｒｓ ｌ ｉｅ ｎ ｔ ｅｐ ｐ ｒ ｆ ａｅ ｄ ｆ ｅ ｃ ｉ ｄ ｒ ｅ ｐ ｉ ｅ ｅ ｓ ｉｄ ｅ ａ ｃ ｒｃ ｌ ｖ ｒ ｅ ｂ ｈ ｉ ｌ ｔ ｅ ｕ ｔ ｇｖ ｎ ｉ ｈ ａ ｅ ｓ ｏ ｉ ｄ ｉ ｏ ｓ
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正 交 双 通 道 数 字 式 的相 位 差 测 量 方 法 。 通 过 对 信 号 频 谱 的 分 析 ， 算 了测 量 系统 输 出的 信 噪 比 ， 而 得 出 了 相 位 差 测 量 计 从
的理论精度 ， 随后进行仿真 分析验 证 了理 论精 度。理论分析和仿真实验证 明， 论文提 出的方法可以实现高精度 的相 位差
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数字相位计介绍
数字相位计介绍数字相位计是利⽤数字信号处理技术显⽰频信号之间相位差，数字相位计具有具有读数⽅便、精度⾼、测量速度快，能有效地运⽤于信号参数的进⾏⾼精度测量,可实现复杂测量算法提供保证。
相位计是测量相位差的仪器,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，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。
随着科技的发展，各领域迫切的需要⾼精度⾼性能的相位测量系统，尤其在⼀些特殊⾏业或领域，必须依靠数字相位计进⾏测量，由此可见对⼈们对数字相位计的研究和相位测量系统的设计刻不容缓。
相位测量主要采⽤三种技术⽅法归纳如下：基于电路测相技术，基于数字信号处理测相技术和基于虚拟仪表侧向技术。
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。
⽬前数字相位计的发展研究已在多领域得到重视,并提出了很多⾼精度的测量算法。
现在就SYN5607型相位计⽽⾔其测量精度⾼,⼯作稳定,可以⽤于实际⼯程测量中。
SYN5607型相位计主要有下列技术指标:输⼊阻抗:1MΩ。
相位范围：0° to 360° or ±180°相位测量物模糊测相的范围。
频率范围：10Hz ～20KHz相位测量能够保证测量精确度的频率范围。
幅度范围：0.5Vrms ～100Vrms相位测量幅度范围。
相位测量精度：±0.1°相位测量的实际值与理论值的偏离程度。
相位分辨率:0.01°相位测量甭管分辨的最⼩相位单位。
频率测量精度:2E-6相位测量频率值的测量精度。
SYN5607型相位计，测量精度⾼稳定性好，可对对正弦/三⾓/梯形波/⽅波的相位差进⾏精密测量，主要应⽤于相控雷达阵、⽆线电导航系统、⾃动控制系统的测距和定位、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。
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。
数字相位差课程设计 中北大学
测控电路设计专业：测控技术与仪器班级：11050341姓名：学号：数字相位差测量仪的设计1.设计思路相位差测量仪主要是由锁相环PLL产生3600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计数显示器的控制信号。
2.设计方案2.1方案设计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。
基准信号fr经过放大整形后加到锁相环的输入端，锁相环的反馈环路中设置一个N=3600的分频器构成一个3600倍频器，使输入的基准信号fr经过锁相环后频率变为原来的3600倍，但相位与基准信号fr 相同，输出信号用做计数器的时钟基准信号。
被测信号fs经过放大整形并二分频得到的二分频信号与基准信号fr的二分频信号经过二输入异或门得到的输出信号作为计数控闸门制信号，使计数器仅在基准信号fr与被测信号的相位差间隔内计数，计数器计的数值即为基准信号fr与被测信号fs的相位差。
2.2 设计原理框图图1 原理框图由原理方框图可以看出，所要设计的电路的主要由移相网络、放大整形、倍频、计数显示四大部分构成。
下面将从这三大部分着手设计电路3.电路设计3.1移相网络部分图2 移相电路移相网络是由二节RC超前或滞后移相网络、集成运算放放大器组成的电压跟器和运放组成的。
一节RC电路如图所示。
由它的相量图可知超一个相角φ，，当f →0时，φ→90°；f →∞时，φ→0。
这说明：一节RC 电路最大相移不超过90°，不能满足相位平衡条件。
若两节RC电路最大相移虽可接近180°，但此时频率必须很低，从而容抗很大，致使输出电压接近于零，所以本电路又加了电压跟随器和放大器。
3.2放大整形电路在设计这个部分的电路时，要考虑到不能使基准信号和被测信号不发生相对相位移动的问题，基准信号和被测信号在设计的放大整形电路中所引起的附加移相是相等的，所以原理方框图A1和A2要用相同的电路。
数字式相位差测量仪说明书_图文(精)
目录绪论 (1摘要 (21 结构设计与方案选择 (31.1 基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述 (4 1.1.1 相位-电压法 (41.1.2 相位-时间法 (51.2 方案的比较与选择 (62 相位-时间法单元电路的原理分析与实现方法 (62.1 前置电路设计与分析 (62.1.1 放大整形电路的分析与实现 (62.1.2 锁相倍频电路的分析与实现 (72.2 计数器及数显部分的设计与分析 (92.2.1 计数器部分的分析与实现 (92.2.2 译码显示部分的分析与实现 (103 结论 (124 参考文献 (13附录1:元器件名细表 (14附录2:相位时间法总体电路原理图 (15附录3:相位时间法总体电路PCB板 (16附录4:相位时间法总体电路PCB板3D视图 (17随着科学技术突飞猛进的发展,电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中,而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段,在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。
数字相位差测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具,比如在电力系统中电网并网合闸时,需要两电网的电信号相同,这就需要精确的测量两工频信号之间的相位差。
更有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中具备重要意义。
相位测量的方法很多,典型的传统方法是通过显示器观测,这种方法误差较大,读数不方便。
为此,我们设计了一种数字相位差测量仪,实现了两列信号相位差的自动测量及数显。
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,这使得仪器的使用比较简单,功能越来越多。
本低频数字相位测量仪主要是测量电压和电流的相位差,由整形放大电路、基本门电路、锁相倍频、计数译码等集成电路构成。
测量的分辨率可达到0.1°,可测信号的频率范围为0Hz~250Hz,幅度为0.5Ⅴ,由于74HC4046的性能比较好,使得所制得的仪器精度相对较高,达到了任务书中所规定的要求。
数字式相位测量仪
• 93•数字式相位测量仪是用数字形式显示两个同频信号之间相位差的仪器，是一种具有读数方便、精度高、测量速度快的电子仪器。
本文基于RS触发器检相原理，以可编程逻辑器件FPGA和单片机STM32为核心，通过对被测量信号的整形处理、数据采集、运算控制、显示等电路功能设计，最终实现了一个数字式相位测量仪系统。
引言：目前，随着社会经济的迅速发展与科技的不断进步，在各种测量方面对测量仪器的测量精度与整体性能的要求不断提高，越来越崇尚数字式的测量仪器。
由此可见，传统的模拟式测量仪器已无法满足现社会的需求，而在相位差测量方面的研究更是不容乐观；因此，对高精度的相位差测量的研究和相位差测量系统的设计，刻不容缓。
所以，本文设计了一台高精度的数字式相位测量仪。
本测量仪可以测量频率范围为10Hz ～100kHz 、信号峰峰值范围为 0.5V-5V 的任何两路同频率周期性波形的相位差及其频率，测量两路信号相位差的范围为 0°至359.9°，测量绝对误差小于1°；其频率测量绝对误差小于等于0.1Hz 。
1.总体框架本系统主要分为四大基本部分组成：LM393滞回比较器的整形电路、FPGA 数据采集与计数电路、RS 触发器数字电路和STM32数据拟合处理与显示电路。
系统设计中，可编程器件FPGA 采用等精度测量原理对经整行后的信号进行测频，采取其频率信息，同时对两路待测同频信号进行RS 触发器处理并通过计数器对两路待测同频信号相位差所对应的时间差进行测量。
单片机STM32通过与FPGA 进行SPI 通信，读取FPGA 测量得到的数据，并根据读取得到的数据进行计算两路待测同频信号之间的相位差及其频率，同时对数据进行多次测量与验证后，通过MATLAB 对数据进行拟合优化，最终通过使用人机界面友好的TFT 屏显示出来待测信号的相位差信息以及其频率信息。
总体框图如图1：图1 总框图1.1 LM393滞回比较器的整形电路的设计本系统中使用了两个精密运算放大器对两路信号进行放大或衰减，使两路待测输入信号的输入电压范围变宽，从而实现0.5V 到5V 的输入电压输入；滞回比较器在单限比较器的基础上引入了正反馈网络和上拉电阻，使其的门限电压随着输出电压Uo 的变化而改变，从而，使滞回比较器具有避免过零点多次触发的现象、提高了其抗干扰能力；因此，本系统采用了基于LM393的滞回比较器对放大或衰减后的信号进行整形，使两路待测输入信号变成方波信号，便于FPGA 对输入信号的信息采集，减少了FPGA 的计数误差，更准确地测出两路待测信号的相位差及其频率。
简易数字相位差计
简易数字相位差计数字相位差计是一种测量相位差的仪器，它可以用来测量信号之间的相位差。
相位差是指两个信号之间的相位角度差异，它可以用来描述信号的同步性和相位关系。
在许多领域，如通信、雷达和无线电等，相位差的测量是非常重要的。
相位差的测量通常使用数字相位差计进行。
数字相位差计是一种基于数字信号处理的仪器，它通过对输入信号进行数字化处理来测量相位差。
相位差计通常由两个输入通道和一个显示屏组成。
输入通道接收两个信号，并将它们转换为数字信号，然后通过数字信号处理算法计算出相位差，最后在显示屏上显示出来。
数字相位差计的工作原理是基于信号的周期性。
当两个信号之间存在相位差时，它们的波形图会有一定的偏移。
数字相位差计通过对信号进行采样和比较，计算出信号之间的相位差。
具体的计算方法可以是通过计算信号的周期或者计算信号的峰值来得到相位差。
数字相位差计有许多应用。
在通信领域，数字相位差计可以用来测量信号的同步性，例如在无线通信系统中，可以用来测量接收信号和发送信号之间的相位差，以确保信号的同步传输。
在雷达领域，数字相位差计可以用来测量目标的距离和速度，通过测量目标反射信号和发射信号之间的相位差来计算目标的位置和速度。
在无线电领域，数字相位差计可以用来测量多个天线之间的相位差，以实现无线通信的空间分集和波束成形。
数字相位差计的优势是精度高、响应快、易于使用。
与传统的模拟相位差计相比，数字相位差计具有更高的测量精度和更快的响应速度。
它可以对信号进行数字化处理，避免了模拟信号处理中的噪声和失真问题。
此外，数字相位差计通常具有友好的用户界面，使操作和参数设置更加方便。
数字相位差计是一种重要的测量相位差的仪器，它在通信、雷达和无线电等领域有着广泛的应用。
它通过对信号进行数字化处理，计算出信号之间的相位差，可以用来测量信号的同步性和相位关系。
数字相位差计具有精度高、响应快、易于使用等优点，是相位差测量的理想工具。
随着科技的不断发展，数字相位差计将会越来越广泛地应用于各个领域，为人们带来更多便利和效益。
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。
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。
基于EMP 7128的数字式相位测量仪
基于EMP 7128的数字式相位测量仪１器件简介ＥＭＰ７１２８ＳＬＣ８４－１５是Ａｌｔｅｒａ公司的ＭＡＸ７０００Ｓ系列ＣＰＬＤ，它采用ＣＭＯＳ工艺，并以第二代矩阵结构为基础，实际上也是一种基于Ｅ２ＰＲＯＭ的器件。
ＥＭＰ７１２８ＳＬＣ８４－１５有８４个引脚，其中５根用于ＩＳＰ（ＩｎＳｙｓｔｅｍＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）下载，可方便地对其进行在系统编程。
此器件内集成了６０００门，其中典型可用门为２５００个，有１２８个逻辑单元，６０个可用Ｉ／Ｏ口，可单独配置为输入、输出及双向工作方式，２个全局时钟及一个全局使能端和一个全局清除端。
ＥＭＰ７１２８ＳＬＣ８４－１５支持多电压工作，其传输延时为７．５ｎｓ，最高工作频率高达１２５ＭＨｚ，并支持多种编程方式，同时可利用Ａｌｔｅｒａ公司的第三代开发软件Ｍａｘ＋ＰｌｕｓＩＩ方便地进行仿真、综合和下载。
２系统工作原理图１所示是一个数字式相位测量仪的系统工作示意图。
图中，输入的比较信号ｂ与参照信号ａ，经参数相同的整形电路变换为正方波后，将两个方波进行异或（在ＣＰＬＤ中完成），同时与测得信号的频率ｆ（由ＣＰＬＤ设计一频率计完成）再异或，然后将得到的信号经２ｆ倍频，再将此信号作为闸门，并在其高电平时段利用高频时钟ｆｃ进行计数，最后在下降沿时将计数值读出并设为Ｎ，则相位为：Ｐｈａｓｅ＝１８０°Ｎ／ｆｃ设计系统软件时?运用ＶＨＤＬ语言，可将系统分为频率计、分频器、相位计数器３个子模块，现对其分别进行描述：(１)频率计ｌｉｂｒａｒｙｉｅｅｅ;ｕｓｅｉｅｅｅ．ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_１１６４．ａｌｌ;ｕｓｅｉｅｅｅ．ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｕｎｓｉｇｎｅｄ．ａｌｌ；ｅｎｔｉｔｙｆｃｏｕｎｔｅｒｉｓｐｏｒｔ(ｓｉｇ:ｉｎｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ; －－输入信号ｃｌｋ:ｉｎｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ; －－０．５Ｈｚ的闸门信号，可由晶振分频得到ｃｏｕｎｔｅｒ:ｏｕｔｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(１９ｄｏｗｎｔｏ０));?－－计数输出ｅｎｄ;ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｄａｔａｏｆｆｃｏｕｎｔｅｒｉｓｓｉｇｎａｌｔｅｍｐ:ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(１９ｄｏｗｎｔｏ０);ｂｅｇｉｎＰ１:ｐｒｏｃｅｓｓ(ｓｉｇ)ｂｅｇｉｎｉｆｓｉｇ＇ｅｖｅｎｔａｎｄｓｉｇ＝‘１’ｔｈｅｎｉｆｃｌｋ＝‘１’ｔｈｅｎｔｅｍｐ＜＝ｔｅｍｐ＋１; －－在闸门的高电平时段计数ｅｌｓｅｔｅｍｐ＜＝“００００００００００００００００００００”? －－在闸门的低电平时段清零ｅｎｄｉｆ;ｅｎｄｉｆ;ｅｎｄｐｒｏｃｅｓｓＰ１;Ｐ２?ｐｒｏｃｅｓｓ(ｃｌｋ)ｂｅｇｉｎｉｆｃｌｋ′ｅｖｅｎｔａｎｄｃｌｋ＝′０′ｔｈｅｎｃｏｕｎｔｅｒ＜＝ｔｅｍｐ;在闸门的下降沿将数据读出内容仅供参考。
低频数字相位测量仪毕业设计毕业论文及文献综述[管理资料]
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摘要本文设计的是低频数字相位测量仪的软件控制部分。
在设计中采用MCU与FPGA 相结合的方案，将软件部分系统分为控制数据采集处理和单片机控制显示两部分的软件设计，本部分分软件设计充分发挥单片机控制运算能力强的特点来对其各个模块进行软件编程。
数据的采集利用FPGA去完成，可以准确地采集到两个同频正弦信号的相位差所对应的时间差以及信号的周期，从而更好地提高系统的可靠性。
再根据单片机具有较强的运算、控制能力的特点，我们通过对单片机最小系统来进行编程以之完成读取FPGA的数据，并根据所读取的数据计算待测信号的频率及两路同频信号之间的相位差。
同时通过软件编程来实现功能键的切换，由显示模块显示待测信号的频率和相位差。
关键字：数据采集; 单片机; 频率; 相位差;ABSTRACTThis paper is designed to phase low-frequency digital measuring instrument. this design which uses the combination of The MCU and FPGA will be divided the hardware into two parts of data acquisition processing and MCU minimum system ,it give full use to the features of MCU-controlled computing for power , the FPGA data acquisition for high speed and resource-rich . we use the FPGA to complete collection of the data, so we can accurately collect the phrase difference between the two-phase sinusoidal signal ,corresponding to the time difference and the cycle of signal, so as to greatly improve the reliability of the system. Then according to characteristics of the shrapnel-strong operation and the ability to control, we use the minimum system of MCU to complete the reading of data FPGA, then according to the data read calculate the frequency of signals under test and the phase difference between the two-way same frequency signal. At the same time, through the switching of function keys ,the frequency and phase of signals under test Will be showed by moduleKeyword：Data; Acquisition; SCM; Frequency; phase目录绪论 (1)相位测量原理 (2)输入与采集 (2)频率的测量 (2)相位差对应的时间差的测量 (3)2 设计要求与设计方案 (4)设计要求 (4)设计方案 (4)设计思路 (4)各模块的作用 (4)设计方案 (4)3 整机电路原理 (6)MCU控制FPGA电路 (6)MCU控制显示电路 (7)整机电路原理 (8)4 软件设计 (10)MCU控制FPGA的软件设计 (10)MCU控制FPGA电路框图 (10)软件设计思路 (11)MCU控制FPGA各程序流程图 (11)MCU控制显示的软件设计 (13)显示软件设计 (13)单片机控制显示程序流程图 (14)5 程序设计 (15)单片机的源程序 (15)结论 (27)致谢 (28)参考文献 (29)绪论随着科学技术的突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设、科研、生产等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。
模电课程设计——数字式相位差测量仪
模电课程设计——数字式相位差测量仪小组成员：韦岸（组长）袁剑波农志兴杨勰一．数字式相位差测量仪的概念数字式相位差测量仪是利用MAX7219外界微处理器实现数码显示。
当两列同频率信号经过整形电路比较电路后，输出两列方波，然后通过微处理器对其进行处理，计算出两列信号的相位差，再向显示控制器下达显示指令，产生使LED显示器显示数码的电平，达到利用数码管显示相位差的效果。
这里，采用单片机的计数功能对输入脉冲进行计数，使计数器仪在两信号的相位差期间计数。
其功能，先将计数器进行清零，接下来检测输入的脉冲的上升沿，若上升沿到，则计数器开始工作，当下一个新号的上升沿到来的时候，计数器便停止计数，将计数器的结果送入锁存器进行锁存，再对计数器进行清零，这样，可是使计数器在下一次能正常工作。
该电路必须加计数锁存器，否则显示器上的数字会随计数器的状态而变化，所以要想稳定地显示测量结果，计数器的计数结果必须经锁存器锁存。
二．原理框图的构建相位差测量仪的原理框图，分辨率为1度。
基准信号（相位基准）f 经放大整形后加到锁相环的输入端，在锁相环的反馈环路中设置一个N=360 的分频器，使锁相环的输出信号频率为360f，但相位与f 相同，这个输出信号被用作计数器的计数时钟。
被测信号f s经过放大整形再2分频后得到f s/2与f/2送入由异或门组成的相位比较电路，其输出脉冲A的脉宽tp反映了两列信号的相位差：利用这个信号作为计数器的阀门控制信号，使计数器仅在f与f s的相位差tp内计数，这样计数器记得的数即为f与f s之间的相位差。
由于计数器时钟频率为360f，因此，一个计数脉冲对应1度。
计数的值经锁存译码后通过LED数码管显示。
D触发器用于判断f与f s的相位关系，当Q为1时，f超前于f s，相位取正值，符号位数码管显示全黑：当Q为0为0时，f滞后于f s，相位取负值。
原理框图三.电路原理图四.使用元件原理介绍（1）放大电路本设计采用的是LM324运算放大器，如下图：通过使用LM324运放器，我们可以使正弦波转变为方波。
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)
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。
基于FPGA控制的低频数字式相位测量仪研究
法 两 种 ： 统 依 靠 模 拟 器 件 的 方 法 ， 二 极 传 如 管 鉴 相法 、脉 冲计 数 法 等 ， 量 系统 复 杂 、 测 需专 用 器件 、硬 件 成本 高 、而 且精 度不 高 。 随 着 集 成 电 路 的 发 展 ， 用 大 规 模 集 成 电 利
本 系 统 充 分 利 用 ＦＰＧＡ 对 数 据 的 高 速 处 理 能 力 ， 使 得 系 统 设 计 高 效 ， 可 靠 。 与 传 统 相 位 测 量 仪 相 比 ， 系 统 具 有 处 理 速 度 快 、稳 该 定 性 高 、 性 价 比 高 ， 易 于 实现 的优 点 。该 系统 具 有 较 强 的 实 用 价 值 和 良好 的 工 程 应 用 前 景 。 ［ 键 词 ］ 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 低 频 相 位 测 量 仪 Ｆ 关 复 ＰＧＡ ＶＨ ＤＬ 语 言 ［ 图分类号１ ２ 中 ｘ５ 【 献标 识 码 】 文 Ａ ［ 章 编 号 ｌ０ ７ ４ ６ （ ０ ０ ０ － ０ ６ ４ 文 １０ －９ ｌ ２ ｌ ） １ ０ ７ －０
视 频 字 符叠 加 的 一 种较 好 的 选 考 文献 ］
【 】 应 用 电 视 一一设 备 原 理 与 工 程 实 践 １ Ⅸ 京 ： 子 工 业 出 版 社 》 中 国 广 播 电 视 设 北 电 备 工 业 协 会 应 用 电 视 专 业协 会 ． ［】Ｇａ ｍｉ ＮＣ． ＧＰ ２ ／ ０ ｔｃ ｎ ｃｌ ２ ｒ ｎＩ Ｓ ５ ２ ｅ ｈ ｉａ
・
应 用研 究 ・
基于 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ控 制 的低 频数 字 式 相位 测量 仪研 究
王 振 红 于 磊
（ 方 工 业 大 学 信 息 工 程 学 院 北 京 １ ０ ４ ） 北 ０ １ ４
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《电子技术》课程设计报告班级电气1112 学号 1111205423 学生姓名孟雷专业电气工程及其自动化院系电气学院电子系指导教师专业方向课程设计指导小组淮阴工学院电子信息工程系2014年12月一、设计目的与任务《电子信息工程专业方向》课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在完成本专业所有课程学习后必须接受的一项结合本专业方向的、系统的、综合的工程训练。
在教师指导下，运用工程的方法，通过一个较复杂课题的设计练习，可使学生通过综合的系统设计，熟悉设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，掌握必须提交的各项工程文件。
其基本目的是：培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用电路设计和有关先修课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固，加深和扩展有关电子类方面的知识。
通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养：(1)独立工作能力和创造力；(2)综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；(3)查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；(4)工程绘图的能力；(5)编写技术报告和编制技术资料的能力。
二、设计要求1、被测信号为正弦波(或者是方波)，频率为40~60Hz，幅度大于等于0.5V；相位测量精度为1度；用数码管显示测量结果。
2、主要单元电路和元器件参数计算、选择；3、画出总体电路图；4、提交格式上符合要求、内容完整的设计报告三、总体设计在电工仪表、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信号的相位差。
例如,电力系统中电网并网合闸时,要求两电网的电信号之间的相位相同,这需要精确测量两列工频信号的相位差。
相位测量的方法很多,典型的传统方法是通过显示器观测,这种方法误差较大,读数不方便。
为此,我们设计一种数字式相位差测量仪,该仪以可编程逻辑器件(PLD) 和锁相环(PLL) 倍频电路为核心,实现了两列信号相位差的自动测量及数显。
相位差测量仪的原理框图(以分辨率为1°为例)如图1 所示。
基准信号(相位基准) f R 经放大整形后加到锁相环的输入端,在锁相环的反馈环路中设置一个N = 360 的分频器,使锁相环的输出信号频率为360f R ,但相位与f R 相同,这个输出信号被用作计数器的计数时钟。
被测信号f S 经放大整形再2 分频后得到的f S/ 2与f R/ 2 送入由异或门组成的相位比较电路,其输出脉冲A 的脉宽tp 反映了两列信号的相位差;利用这个信号作为计数器的闸门控制信号使计数器仅在f R 与f S的相位差tp 内计数,这样计数器计得的数即为f R 与f S 之间的相位差。
于计数时钟频率为360f R ,因此,一个计数脉冲对应1°。
计数的值经锁存译码后通过LED 数码管显示。
这种测量方法可以从波形图图2 得到理解和说明。
图中D 触发器用于判断f R 与f S 的相位关系,当Q 为1 时, f R 超前于f S ,相位取正值,符号位数码管显示全黑; 当Q 为0 时, f R 滞后于f S ,相位取负值,符号位数码管显示“ - ”。
四、单元电路设计1、移相网络所谓移相是指两种同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的移动，即称为是相位的移动。
两路信号的相位不同，便存在相位差，简称相差。
若我们将一个信号周期看作是360，则相差的范围就在0°～360°。
：两个同频信号之间的移相，是电子行业继电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段，利用移相原理可以制作校验各种有关相位的仪器仪表、继电保护装置的信号源。
因此，移相技术有着广泛的实用价值。
我们知道，将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。
以延时的长短来决定两信号间的相位值。
这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。
也就是说，只要能够测量出该延迟时间，我们就可以推算出其相位差值。
2．方案实现本系统由移相网络，相位测量仪，数字移相信号发生器组成。
其中相位测量仪由单限（过零）比较器，逻辑门电路，单片机系统组成。
数字式移相信号发生器由单片机软件编程实现，频率可调并可以步进。
移相网络由相位超前，滞后网络及放大电路组成。
键盘电路与显示电路用来预置初始状态与显示结果。
（1）移相网络：具体电路图如图1在该电路中相角和电压幅值均可以改变。
本电路中第一部分是由741和RC网络所构成的超前移相电路和滞后移相电路，第二部分为TL072运算放大器构成的低噪声高增益放大电路。
调节RR，R4可以改变输出电压幅度，R3为调零相位电。
超前，滞后网络的相关理论：（如下图）对于超前网络：/0()/0)1/0*1*1*/(*1)arc */(*1)1(/0)(/0)200()w w A jw jw w jw w a a a j a a a aa a a tg a a a a arctg w w arctg f f f RC R C arctg RCθπ=+=+++++==== （另a=相角与频率的关系：=其中 关于滞后网络：()(/0)1/01*1*/(*1)arc /(*1)1()()2R A jw a w w jw w R aR j a a a aaR a a tg R a a arctg a arctg a f RC θπ==+=-++-++=-=-=令相角与频率的关系：=其中根据题目要求，不同情况下具体的参数由上述公式计算。
注意：具体调试电路的时候应根据以上公式，当输入频率改变的时候，应改变超前，滞后网络中R ，C 参数，此时才可以改变相位差。
2放大整形电路的分析与设计电路：在相位差测量过程中，不允许两路信号在放大整形电路中发生相对相移。
为了使两路信号在测量电路中引起的附加相移是相同的，图1中A1和A2安排了相同的电路。
如图3所示，第一级运放将输入信号放大10倍，第二级运放用作比较器，经3.3k Ω的限流电阻和DZ 组成的限幅电路以及二极管D 和7414整形后，使其转换成TTL 电平的信号3、锁相倍频电路设被测信号的工作频率为50hz ,测量的分辨率取1°,360倍频后信号的频率为18000hz故可选择最高工作频率为40MHz 的锁相环74HC4046。
而360分频器可采用计数器。
在这里我们采用的是4040计数器。
CC4040 是12 位二进制串行计数器。
所有的计数器为主从触发器。
计数器在时钟下降沿进行计数。
CR 为高电平时，对计数器进行清零。
由于在时钟输入端使用斯密特触发器，对脉冲上升和下降时间无限制，所有输入和输出均经过缓冲。
我们将360化作二进制即为000101101000，然后我们就将对应的引脚连接起来，即可成为360分频器。
让后将分频器输出作为锁相环的基准信号，即可得到360倍频信号。
3、计数器及数字显示部分这里我们使用的是4518双四位异步BCD码加法器。
Cr为异步清零端高电平有效。
当cr为0时，cp为0，这是en下降沿触发计数，当en为0，cp上升沿触发计数。
将低位的最高位与另一个计数器触发端相连便构成了带进位的十进制计数器。
CC4511 是BCD－7 段所存译码驱动器，在同一单片结构上由COS/MOS 逻辑器件和n－p－n 双极型晶体管构成。
这些器件的组合，使CC4511 具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达25mA 的性能。
由此可直接驱动LED 及其它器件。
LT 、BI 、LE 输入端分别检测显示、亮度调节、存储或选通一BCD 码等功能。
当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。
CC4511 提供了16 引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。
4、相位超前于滞后显示部分将被测的两个信号经过二分频之后，接入D触发器，其中信号a 接D端，信号b接cp端。
如果输出端Q为1，则a超前b，反正如果Q为0，则a滞后b。
将Q端接一发光二极管，即可指示相位的超前与滞后情况。
六、电路测试及测试结果在Proteus7里面进行仿真，在仿真过程中，我们对电路中各个模块的信号进行了测试。
其中信号进过前置放大电路之后，变成矩形脉冲波，说明我们的前置放大电路是正确的。
在比较了a，b信号的波形之后，我们明显看到了相位差。
而两个信号经过异或门之后成为了相位差波形。
说明移相电路正确。
我们测量了倍频信号的输入与输出端，其中输入为50HZ,而输出为18016HZ，说明倍频电路部分也是正确的。
在总体仿真部分，输入50HZ的正弦波，我们从数码管上读出的值为53，54.即两个信号的相差为53。
实现了课程设计的要求。
测试波形七、设计总结经过两周的努力，我们经历了从刚开始对课题内容茫然到今日在老师的指导下对课程设计的掌握。
尤其是在刚开始的时候，由于模拟电路的基础不是很好，都不知道从什么地方下手，经过老师的提示以及对模电相关部分的复习才能更好地进行试验及仿真，平常学习中低通滤波器学的很多，但在实际运用中还是出了很多问题，在仿真了几次之后终于把大致的结果仿真出来了，我和我的同学在完成后都有由衷产生一股成就感。
在仿真的过程中，各个模块电路经过测试没有问题，但组合到一起之后，最终结果总是一直变化，这与理论上有一定的差别。
在老师的指导下，在全组的共同努力之下，最终我们解决了这个问题，在规定的时间内圆满完成了这次设计的任务。
八、参考资料[1]张永瑞、刘振起、杨林耀、顾玉昆．《电子测量技术基础》西安电子科技大学.1993[2J于志成.电路技术(第1版).机械工业出版杜l986[3]童诗白．模拟电子技术基础(第2版)．.高等教育出版社，1998[4]徐仁贵.《锁相环在电子电路中的应用》北京机械工业出版社．1999[5]张志良．《数字电子技术》1994[6]魏志派.《电子技术实践》.中央广播电视大学出版社。