低频数字式相位测量仪的设计_田秀丰

低频数字式相位测量仪的设计

田秀丰1,　何继爱2,　李敏3

(兰州理工大学计算机与通信学院,兰州730050)

摘要:基于过零检测法原理,以单片机87c51和可编程逻辑器件C P L D为核心,从数据采集电路、数据运算控制电路和显示电路等功能电路出发,实现了一个低频数字式相位测量仪系统,并进行了仿真验证。数据采集单元完全在一片C P L D芯片内部实现,真正实现了系统设计的简化。系统可以对20H z～20k H z频率范围内的信号进行精确测量;与传统相位测量仪相比,具有硬件电路简单,测量速度快,易于实现等优点。

关键词:相位差;过零检测法;C P L D;单片机

中图分类号:T N06 文献标识码:B 文章编号:1003-8329(2008)02-0055-04

D e s i g n o f L o w-f r e q u e n c y D i g i t a l P h a s e M e a s u r i n g A p p a r a t u s

T I A NX i u-f e n g,　H EJ i-a i,　L I M i n

(C o l l e g e o f C o m p u t e r a n d C o m m u n i c a t i o n,L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,L a n z h o u,730050,C h i n a)

A b s t r a c t:T h i s d e s i g n u s e s t h e p r i n c i p l e o f z e r o-c r o s s i n g,t a k e s t h e87C51a n d C P L Da s t h e c o r e,

b a s e d o n d a t a a

c q u i s i t i o n c i r c u i t,

d a t a o p

e r a t i o n a l c o n t r o l c i r c u i t a n d d i s p l a y c i r c u i t,a c h i e v e s a l o w

-f r e q u e n c y d i g i t a l p h a s e m e a s u r i n g a p p a r a t u s,a n d g e t s t h e w a v e f o r ms i m u l a t i o n.T h e a c q u i s i t i o n

c i r c u i t i s a c h i e v e

d i n d

e p e n d e n t l y i n o n e C P L Dc h i p,p r e d i g e s t s t h e w h o l e p r o j e c t.T h e s y s t e mc a n

m e a s u r e t h e s i g n a l w i t h20H z～20k H z f r e q u e n c y;c o m p a r e d w i t ht h e t r a d i t i o n a l p h a s e m e t e r,i t

h a s t h e a d v a n t a g e s o f s i m p l e h a r d w a r e c i r c u i t,r a p i d s p e e d a n d e a s y t o r e a l i z e.

K e y w o r d s:p h a s e d i f f e r e n c e;t h e p r i n c i p l e o f z e r o-c r o s s i n g;C P L D;M C U

1　引　言

在工业和民用场合,为了对各种低频信号进行测量分析,常常引入相位测量仪。同频信号间相位差的测量在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、电子、地球物理勘探等许多领域都有着广泛的应用。尤其在工业领域中,相位不仅是衡量安全的重要依据,还可以为节约能源提供参考。因此,研究和设计低频数字式相位测量仪,将会为国民经济的发展起到推动和促进作用。

相位差测量的基本原理主要有三种:对信号波形的变换和比较﹑对傅氏级数的运算及对三角函数的运算[1],其实现方法如下:

过零点检测法。这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通过零的时刻与被测信号通过零的时刻进行比较,由二者之间的时间间隔,推算出两信号之间的相位差。这种方法的

＊基金项目:兰州理工大学学生科技创新基金资助(项目代号:2007016)。

作者简介:田秀丰,(1984-)男,河南鹤壁人,现为兰州理工大学计算机与通信学院信号与信息处理专业研究生,主要研究方向为功率控制。

特点是电路简单,对启动采样电路要求不高,同时该方法还具有测量分辨率高、线性好、易数学化等优点。

倍乘法。任何一周期函数都可以用傅氏级数表示,在这里运算器是一个乘法器,两个信号是频率相同的正弦数,相位差为一个角度φ,运算结果再经过一个积分电路,得一直流电压V=k c o sφ,电路的输出和被测信号相位差余弦成比例,因此其测量范围在45°以内,欲使测量范围扩展到360°,需要附加一些电路才能做到。这种方法由于应用了积分环节,可以滤掉信号波形中的高次谐波,抑制了谐波对测量准确度的影响。

矢量法。任何一正弦函数都可以用矢量来表示,如两个正弦信号幅度相等、频率相同,运算器运用减法器则合成矢量的模:V=2Es i nφ/2。这种方法用于测量小角度,灵敏度较好,可行度也较好;而在靠近180°附近灵敏度降低,读数困难也不准确。由于输出是一余弦或正弦函数,因此这种方法适用的频带范围是较宽的[1]。

上述三种测量相位的方法,各有优缺点,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,过零点检测法比较好,它输出正比于相位差的直流电压和相位差的脉冲数,还易于实现数字化和自动化。现代的数字相位表多采用这种原理构成。

2　设计思想

系统采用过零检测法的思想,结合单片机和C P L D自身特点,建立如图1所示的系统框图,主要由数据采集电路、数据运算控制电路和数据显示电路三部分组成[2]。考虑到C P L D具有集成度高,I/O 资源丰富,稳定可靠,可现场在线编程等优点,而单片机具有很好的人机接口和运算控制功能,所以采用C P L D和单片机相结合,构成整个系统的测控主体。其中,C P L D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,而单片机则负责读取C P L D采集到的数据,并根据这些数据计算待测正弦信号的频率及两路同频正弦信号之间的相位差,同时通过功能键切换显示出待测信号的频率和相位差[2]

。

图1　系统原理框图

3　系统实现

3.1　整形单元

由于C P L D对脉冲信号比较敏感,而被测信号是周期相同、相位不同的两路正弦波信号,为了准确的测出两路正弦波信号的相位差及其频率,需要对输入波形进行整形,使正弦波变成方波信号,并送入C P L D进行处理。整形电路采用过零比较器,当输入正弦波时,每过一次零,比较器的输出端将产生一次电压跳变,它的正负向幅度均受到供电电源的限

图2　整形电路