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3
2.1.1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5
2.2.3软件系统6
3.结论6
4.参考文献7
5．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：
V1
V
V2
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。

利用这一特性，正弦信号之间的相差可以在小于1/4信号周期的时间内被检测出来。

其中，双极性锯齿波的频率是参考信号的两倍。

它的中心点与参考信号的零点对齐。

通过其幅度对应于输入正弦信号在半周期内的过零点的变化可以线性地反映相位变化，并通过采样保持电路把锯齿波在该点的幅值转换成支流电压输出。

其整体框图见1-3-2。

图1-3-2
从实质上说，该方案为一个相位——电压转换电路，是将相位差近似的转换成电压信号，需要用极精密的芯片和调试方法来达到较高的精度，而且其转换出来的连续电压信号很难适合本题的数字化问题。

应该说该方案比较适合做芯片的开发以适应其他的需求。

方案二：使用单片机定时计算的相位差测量电路。

本系统对输入的信号进行了过零比较放大整形处理，使输入正弦信号转化为单片能识别的数字信号。

用单片机控制两个16位定时计数器来采样两信号的过零时间差和信号的周期，以取来的大数据来满足对相位差的极高分辨率。

采集的数据经单片机进行处理，以送至液晶或其他的显示装置以显示。

该方案具有思路相对清晰，容易实现，在辅以具有很强控制能力的单片机，所以，采取此方案成为目前阶段顺理成章的事情。

2系统设计
2.1总体设计
2.1.1系统框图
如图2-1-1所示。

图2-1-1
系统内部三个单元的具体设计框图如下：
图2-1-1A
图2-1-1-B
2.1.2模块说明
①移相网络：利用高、低通电路的临界截止产生连续相移调节范围为-45°—45°的模拟相位输出，通过放大电路及调幅装置实现幅度0.3V—5V连续可调。

②相位测量仪：由单片机程序中的两个计数器分别对所测信号的相位差、周期进行计数，然后将数据进行处理并送液晶显示。

2.2各模块设计及参数计算
2.2.1移相网络设计及R、C参数设定
题目要求连续相移范围；-45°~45°，根据高、低通电路的幅频特性，高通电路中存在:
2*
)(
1||fL
f fL f Au +=
，fL f arctan
90-︒=θ，RC
fL π21= 同样在低通电路中存在:
2
*
)(
11||fH
f Au +=
，fH f arctan
-=θ，RC
fH π21= 可见当f=fL=fH 时,高、低通电路均处于临界截止态,此时两信号 幅度均衰减为原信号幅值的
2
1,且相位分别为45°和-45°。

由于赛题要求输入信号频率为；100H 到1KHz 选一个信号，所以 R 、C 选择应分别满足时间常数值310592.1-⨯s 到410592.1-⨯s 。

为了方 便设计和调试故我们在高通电路中采用0.22u 的固定电容和阻值分别为
7.5K 的精密电位器；而在低通电路中我们采用1u 的固定电容和 阻值分别为1.5K 的精密电位器，精确地达到了题目的要求。

为使A 、B 输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3V —5V 范围内 变化，根据以下公式：()︒+=45sin 1wt V 、()︒-=45sin 2wt V 、
wt V sin 21
=
，
可得移相网络中的后级放大只需放大两倍即可。

根据电压串联负反馈
的放大公式：
Ui
R R Uo ⎪⎭⎫ ⎝⎛
+=341，图1-1中应取R3=R4=1K,便可达到要求。

2.2.2相位测量仪设计
由于信号波形的幅度不同以及由比较器LM311构成的过零电路对于正弦信
号输入后沿有不可忽略延迟，所以我们使用整流信号的上升沿作为中断的控制信号，故在过零电路后加反相器便于单片机识别。

因为输入信号幅度为1~5V ，为了使整流电路正常工作，必须将小信号部分放大，在设计中我们采取了前级放大6倍。

此外，在放大电路之前我们还装配了电压跟随器，满足了基本部分中相位测量仪的输入阻抗大于等于100K Ω。

在相位差测量过程中，不允许两路被测输入信号在整形输入电路中发生相对相移，或者应该使得两路被测信号在整形输入电路中引起的附加相移是相同的，因此，我们对A 、B 两路信号采用了相同的整形电路。

为了避免出现被测输入信号在过零点时多次触发翻转的现象，我们设计了第二种整形电路，即使用施密特触发器组成的整形电路。

为了保证输入电路对相位仪测量不带来误差，必须保证两个施密特触发器的两个门限电平对应相等，这可以调节电位器来实现。

本系统所设计的测量周期和相位差的计数器为单片机内部的两个16位计数
器，而且采用了对周期、相位差的等精度测量，其测量误差直接取决与单片机的晶振的频率及其稳定性。

而本系统所采用的晶振为24M 的晶振，在最大程度上减小了系统误差。

2.2.3软件系统
本系统的软件系统很大，采用C51编写。

由于仿真机对C51支持的灵活性，单片机采用先仿真机模拟调试，后下载到单片机来调试。

相位测量仪软件流程图 如图2-3-1所示。

主程序
读两个定时计数的值
N
3.结 论
我们设计的系统完成了题目的基本功能、基本指标，而且在精度上有较大提高；虽然最后我们没能成功地完成每一步，但是总体上来说这次竞赛是我们第一次完全地靠自己做出一个产品，我们拿到题目后，分工进行查资料，模拟软件仿真，由于是模拟的怕仿真效果不好，我们在确定电路之前还进行了实物仿真，最后电路和程序基本上都已经实现，除了显示不是很稳定，误差不是很理想还蛮顺
图 2-3-1
利的。

4.参考文献
孙涵芳、徐爱卿编著：MCS—51系列单片机原理及应用，北京航空航天大学出版社。

赵一军、胡戒编著：单片微机接口技术，人民邮电出版社。

冯清澄、陈放编著：CA103—1相位计方案。

5．附录
系统设计图
图2-4移相网络
图2-5过零比较整流
图2-6 显示电路。