相位測量方案

1、相位測量儀方案方案一：單周波計數(shù)法。將有相位差的兩路方波信號進(jìn)行”異或”后作為閘門， 在高電平時，利用外部高頻信號進(jìn)行計數(shù)，在下降沿將數(shù)據(jù)讀出，低電平時對計 數(shù)器清零。設(shè)晶振頻率為fc，測得信號的頻率為fr，計數(shù)值為N，則相位差phase 為phase =+ N 180°方案二：定時間計數(shù)。將高頻時鐘信號和兩路信號異或得到的信號進(jìn)行“與” 在設(shè)定時間s內(nèi)利用其上跳變沿計數(shù)，設(shè)高頻時鐘頻率為 fc，計數(shù)值為N，則N°phase180sfc方案三：多周期同步計數(shù)法。設(shè)被測信號的頻率為 f,則將一被測信號進(jìn)行 fi倍（f取整）分頻，則在fi周期內(nèi)（保證測量時間在1s左右），被測信

2、號異或與 參考高頻信號相與的信號sin gall的計數(shù)為Ni,同時期參考高頻信號的計數(shù)為 N， 則phase =山 180°N以上三種方案都可以采用一個 D觸發(fā)器將相位測量的相位擴(kuò)展到0°-360°。 方案一需高速時鐘，按題目要求，在20kHz信號時的相位差分辨率為0.1°,則要 求時鐘最少為72MHz，實(shí)現(xiàn)困難。而方案二測量時間段一定，存在遺漏 01個 周波的情況，從而引入較大的誤差。方案三的讀數(shù)與異或得到的信號同步， 不存 在遺漏問題，誤差很小，故采用此方案。相位測量方案方案一：采用脈沖填充計數(shù)法。將正弦波信號整成方波信號，對兩路方波信 號進(jìn)行異或操

3、作之后輸出脈沖序列的脈寬可以反映兩列信號的相位差，以輸入信號所整成的方波信號作為基頻，經(jīng)鎖相環(huán)倍頻得到的高頻脈沖作為閘門電路的計 數(shù)脈沖，由單片機(jī)對獲取的計數(shù)值進(jìn)行處理得到兩路信號的相位差。方案二：鑒相部分同方案一，將兩路方波信號異或后與晶振的基準(zhǔn)頻率進(jìn)行 與操作，得到一系列的高頻窄脈沖序列。通過兩片計數(shù)器同時對該脈沖序列以及 基準(zhǔn)源脈沖序列進(jìn)行計數(shù)，一路方波信號送入單片機(jī)外部中斷口， 作為控制信號 控制兩片計數(shù)器。得到的兩路計數(shù)值送入單片機(jī)進(jìn)行處理得相位差值。對以上方案進(jìn)行比較，方案一在所測頻率較高時，受鎖相環(huán)工作頻率等參數(shù) 的影響會造成相位差測量的誤差，采用方案二由高精度的晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的基

4、準(zhǔn)頻 率，可以滿足系統(tǒng)高精度、高穩(wěn)定度的要求。相位測量論證與選擇方案一：利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測量相位差，實(shí)現(xiàn)框圖如圖1-1所示圖1-1利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測量相位差原理圖直接利用單片機(jī)的內(nèi)部時鐘以異或門的輸出為閘門進(jìn)行計數(shù)。 理論上晶振為 12M時MCS-51單片機(jī)的最窄脈寬為1us，誤差即為1us。當(dāng)要實(shí)現(xiàn)1的步進(jìn)時, 計數(shù)脈寬最少為360us,以正弦波計，最高的頻率為 1= 2.78KHZ。顯然,360* 10此種方法硬件原理上難以保證測量精度，需在軟件上采用遼技術(shù)來提高精度，增加了軟件量。方案二：采用相差一電壓測量法。即通過數(shù)字鑒相器，如異或門鑒相電路輸 出相差脈沖，經(jīng)過低通濾波器濾出其中的直流成分

5、（其中含有相位信息），設(shè)計原理框圖如圖1-2所示。圖1-2 數(shù)字鑒相、相位一電壓法原理框圖此方案為數(shù)字方法與模擬方法相結(jié)合，數(shù)字鑒相器的設(shè)計解決了模擬鑒相 器的頻帶限制，但精度問題依然存在。方案三：采用相差一時間測量法。設(shè)計原理框圖如圖1-3所示。圖1-3數(shù)字鑒相、相位一時間法原理框圖1-4所示。兩路信號A、B的相位差通過測量鑒相輸出脈沖的時間寬度得到。再通過鑒相器 的兩輸入信號的上升沿控制計數(shù)器的數(shù)據(jù)鎖存、清零測出相差脈沖寬度。數(shù)字鑒 相波形圖如圖A輸入信號A輸入信號B圖1-4數(shù)字鑒相波形圖輸入信號動計數(shù)；輸入信號A的上升沿先鎖存上次周期計數(shù)值nr，然后使計數(shù)器清零并重新啟 宀旦B的上升沿鎖

6、存脈寬計數(shù)值n-。則相位差的計算公式為：np(1-1)-360n-r從（1-2 ）式可以看出，相差的精度只與nT有關(guān)，而與被測信號的頻率和計數(shù)時 標(biāo)頻率的精度無關(guān)，從而消除了這兩者對測量精度的影響。 只要選取適當(dāng)?shù)挠嫈?shù) 時標(biāo)使nr有效位數(shù)不低于4位，則相差的精度能達(dá)到0.1度。此方案的相位測量精度高且便于控制。因此選用方案三。相位測量方案相位測量方案的關(guān)鍵問題是相位測量方法的選擇。方案一：基于數(shù)字鑒相技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方案CD4046鑒相電路輸出經(jīng) AD0809采樣后的數(shù)據(jù)送到 FPGA，經(jīng)過處理后，輸出到 LED顯示相位，原理方框圖如圖所示。圖數(shù)字鑒相技術(shù)實(shí)現(xiàn)相位測量原理方框圖方案二：利用高精度比較

7、器實(shí)現(xiàn)的方案將移相信號與基準(zhǔn)信號分別送到兩個過零比較器，使雙極性的正弦波轉(zhuǎn)換成單極性的方波。若兩路正弦波存在相位差，那么兩路方波也必定存在相同的相位差值。將相位差值對應(yīng)的時間間隔作為 FPGA對50MHz的脈沖數(shù)的計數(shù)時間，從而得到正弦波的相位差為：n 360°N上述兩種方案從對硬件的要求而言，方案一在FPGA芯片基礎(chǔ)上需要一片 CD4046和一片AD0809，而方案二則在 FPGA芯片基礎(chǔ)上只需要一片 LM393 ；從測量性能方面來說，在低頻率方面，方案一的相位差總共只能有256個量級，而采用通過 FPGA記脈沖數(shù)的方法測量的精度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出此量級。因此，選用方案二，采用比較器LM3

8、93和FPGA來實(shí)現(xiàn)測 相。相位差測量方案一：將被測的兩路正弦波信號整成方波信號，利用異或門電路進(jìn)行鑒相處理，將得到的脈沖序列經(jīng)過 RC平滑濾波取出其直流分量，該直流電平的幅值與兩路信號的相位差成 正比，將此信號送入 A/D轉(zhuǎn)換器由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理從而計算出相位差值。方案二：采用脈沖填充計數(shù)法， 將正弦波信號整成方波信號，其前后沿分別對應(yīng)于正弦波的正相過零點(diǎn)與負(fù)相過零點(diǎn)，對兩路方波信號進(jìn)行異或操作之后輸出脈沖序列的脈寬可以 反映兩列信號的相位差， 以輸入信號所整成的方波信號作為基頻，經(jīng)鎖相環(huán)倍頻得到的高頻脈沖作為閘門電路的計數(shù)脈沖，由單片機(jī)對獲取的計數(shù)值進(jìn)行處理得到兩路信號的相位差。方案三：

9、將兩路被測正弦波信號整成方波信號，通過圖3-5所示的鑒相器，輸出一路具有不同占空比的脈沖波形。由圖3- 6的仿真波形可知，該脈沖信號的占空比與這兩路信號圖3-5鑒相器原理圖圖3-6鑒相器的仿真波形 的相位差成正比：相位差=N1*360 ° / ( N1+N2(3-5)其中N1是高電平脈寬時間內(nèi)的計數(shù)器，N2是低電平脈寬時間內(nèi)的計數(shù)值。對以上三種方案進(jìn)行比較，方案一在低頻段時，RC濾波電路的輸出波動很大，難以達(dá)到要求的相位精度，而方案二在所測頻率較高時，受鎖相環(huán)工作頻率等參數(shù)的影響會造成相 位差測量的誤差，極大地影響測量的精度，采用方案三由高精度的晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率， 可以滿足系統(tǒng)

10、高精度、高穩(wěn)定度的要求。3'目位測量及顯示電路：本部分電路不采用相敏整流法，避免了模擬電路得不好控制，不易數(shù)字化的 缺點(diǎn)，而是采用單片機(jī)89c52,禾I用高頻計數(shù)器cd4040和邏輯電路來實(shí)現(xiàn)的相 位測量。這部分的電路圖是工作原理：由于這部分的輸入是有相移的兩路正弦信號，而要實(shí)現(xiàn)其數(shù)字 化，所以要把正弦信號轉(zhuǎn)化成方波信號，其電路如下：8output輸出的波形為output輸出的波形再與固定的晶振脈沖相與非產(chǎn)生新的脈沖信號，作為CD4040的CP脈沖，計算脈沖個數(shù)。CD4040工作方式：當(dāng)RST腳為“0”時，計數(shù)器開始計數(shù)，CLK腳為脈沖輸入端；當(dāng)RST腳 為“+1”時，計數(shù)器的各腳清零

11、。所以在output腳輸出的信號的一個周期內(nèi)，計數(shù)器計數(shù)一次。為擴(kuò)大測量的相移差的范圍，采用兩片CD4040.達(dá)到24位的要求。計算參數(shù)如下：設(shè)晶振的周期為Ts,兩個正弦波變換成方波后的周期為 To,output輸出的信 號的低電平的時間為T,則對應(yīng)的相移對應(yīng)的時間為 To/2-T;CD4040計數(shù)的數(shù)值為N.則T=N*Ts,則T' =T-N*Ts;得相移對應(yīng)的晶振個數(shù) N' =(TON*Ts)/Ts;每個晶振個 數(shù)對應(yīng)一定的相移：A0,則總的相移：A0*N在一個周期內(nèi)，測得的計數(shù)脈沖的個數(shù)通過8255傳給單片機(jī)89c52,進(jìn)行計算，從而達(dá)到通過軟件達(dá)到現(xiàn)視的目的。此設(shè)計通過8

12、279達(dá)到顯示管的驅(qū)動。1、相位測量儀方案一：相位-電壓轉(zhuǎn)化法；兩個頻率相同，相位不同被測正弦信號，經(jīng)限幅放大和脈沖整形后變成兩個方波， 在經(jīng)微分得到兩個對應(yīng)被測信號負(fù)向過零瞬間的尖脈沖，利用非飽T、寬度為Tx的方波，若方波幅和型高速雙穩(wěn)態(tài)電路被這兩組負(fù)脈沖所觸發(fā)，輸出周期為 度為Ug，則此方波的平均值即直流分量為：Uo =UTx g T輸出電壓即直流電壓 UO。因此，用低通濾波器將方波中的基波和諧波分量全部濾除后, 上式中T為被測信號的周期，Tx由兩信號的相位差 決定。Tx與的關(guān)系為:cpcp半XXTxx t -x tw 2 二 f2 -360T®即XT 360故有：U。Ngx36

13、0若A/D的量化單位取為Ug/3600,則A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果即為:x的度數(shù)。方案二：相位-時間轉(zhuǎn)化法；首先將兩個頻率相同，相位不同的正弦信號通過過零比較器轉(zhuǎn)變方波信號，然后進(jìn)行異或運(yùn)算，產(chǎn)生脈寬為T。、周期為T的另一方波，若計算時鐘脈沖周期為Tcp，則在Tx時間內(nèi)的計數(shù)數(shù)值為：To xToMTcp 360 Tcp故有：x - MTcP 360即為相位差的度數(shù)。T。分析與比較：縱觀上述兩種方案，方案一是將相位差信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栠M(jìn)行測量，對單一頻率信號的相位檢測時， 相位差信號與電壓信號之間存在唯一對應(yīng)關(guān)系，電壓的高低反應(yīng)了相位的大小，但當(dāng)輸入的信號頻率在一定范圍可變時，此方法不適用。原因有二：一是

14、相位變化會引起輸出電壓信號 Uo的變化，二是頻率變化也會影響輸出信號 Uo的變化。所以對于20HZ-20KHZ范圍內(nèi)的信號檢測系統(tǒng)的輸出UO與被測信號的相位之間不存在唯一對應(yīng)關(guān)系。方案二是將相位差信號轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間信號進(jìn)行測量，相位差與（Tx/T）之間始終存在一一對應(yīng)關(guān)系，因此不管頻率如何變化，只要測量出（Tx/T）大小，相位差的大小也就確定了。因此我們采用方案二。1.3相頻特性測量方案一：使用鑒相器，將相位差轉(zhuǎn)換為電壓值測量。由于受到鑒相器的性能限 制，此方案精度不太高。方案二：相位差可以通過占空比進(jìn)行測試， 但正弦波占空比不易測量，因此需 先將正弦波通過過零比較整形為方波。 再由如下圖所示原理

15、將通過被測網(wǎng)絡(luò)前的 方波信號fl和通過被測網(wǎng)絡(luò)后的信號f2相與，從而得到兩者的相位差 A,再將 A和高頻脈沖B相與得到C,對C進(jìn)行多周期計數(shù)來求得每個周期中高電平占空 比，即可得到相差。応 1III“ Fv=lIIf円II I廠出 Illlll I 111 1 1 1 I I 1111 II 1 I II 1111 1111 nl<7 IIHIlli In2圖1-1綜上考慮，方案二的測量精度高，我們采用了方案二（二）.相頻特性測試原理及實(shí)現(xiàn)首先將輸入輸出信號分別通過電壓比較器整形為方波，然后送鑒相器鑒相，經(jīng)低通濾除其中的交流成份，取出直流成份，得到被測網(wǎng)絡(luò)相移信號，送A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。原理框圖如下圖所示:圖4-3 相頻特性測試框圖本系統(tǒng)鑒相器利用CD4046鎖相環(huán)的鑒相器（是異或門鑒相）其鑒相特性如圖4 4所示：從特性看它只能給出相移的大小信息，而無法判斷超前與滯后,所以我們另加一個相位極性判別電路。該電路如圖 4-5所示：OUT單片機(jī)CP&