相位計的三種實現(xiàn)方法終稿

相位計的三種實現(xiàn)方法南京大學電子科學與工程系曹麗劍031180003武迪041180105文旭樺041180101摘要相位計在科學與生產(chǎn)中均有應用，而其實現(xiàn)方法也有很多。本實驗采用了三種分別基于模擬，數(shù)字，CPLD和51單片機的方法實現(xiàn)相位差的自動測量和數(shù)顯。關(guān)鍵詞相位模擬數(shù)字PLLA/DCPLD51單片機在電工儀表、同步檢測的數(shù)據(jù)處理以及電子實驗中，常常需要測量兩列同頻信號的相位差。例如移相電路的移相值測量等。相位測量的方法很多，典型的傳統(tǒng)方法是通過顯示器觀測，例如示波器。但是這種方法誤差較大，讀數(shù)不方便。為此，我們想設計一種數(shù)字顯示的相位差測量儀，實現(xiàn)了兩列信號相位差的自動測量及數(shù)字顯示。測量的分辨率可根據(jù)不同需要選擇不同方案實現(xiàn)0.1°或1°。雖然實現(xiàn)方法很多，但充分利用所學知識決定采用以下三種方法實現(xiàn)：當選擇模擬電路實現(xiàn)方法時，可測信號的頻率范圍為幾Hz?幾MHz，精度為1°。當選擇數(shù)字電路實現(xiàn)方法時，可測信號的頻率范圍為幾Hz?幾十kHz，精度小于1°。當選擇高速相位計實現(xiàn)時，可測信號的頻率范圍為幾Hz?幾十兆Hz，精度為0.1°。1方案一模擬電路實現(xiàn)方法制作原理:對于兩個同頻率的正弦或余弦輸入信號Acos(wt+q),Acos(wt+0)相位差為①-e是所要測量的量。，過零比較器v異或過零比較器/二階低通濾波系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)碼管顯示過零比較器v異或過零比較器/二階低通濾波系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)碼管顯示基于模擬電路的相位計實現(xiàn)框圖比較器，得到方波兩個方波信號有相位差兩個方波信號有相位差將兩個方波進行異或，所得矩形波占空即與相位差成正比參數(shù)計算：計算二階低通濾波器的參數(shù)，由于異或門的輸出為周期性矩形波，利用傅立葉頻譜分析知，該信號的直流分量幅度與一個周期內(nèi)高電平的占空比成正比，由此只要取異或門輸出的直流分量經(jīng)過一定比例的線形放大直接通過A/D轉(zhuǎn)換即可輸出。因此濾波器的截止頻率就要小于輸入信號的基頻，設置f為10hz，利用傳遞函數(shù)計算濾波器的各參數(shù)。另外由于7107的輸入為0-2V而濾波器的輸出為0-5V因此中間需用一級OP放大器，并能夠調(diào)零。所取參數(shù)見電路圖。二階低通濾波器參數(shù)選擇模擬電路實現(xiàn)方法sch圖*—*模擬電路實現(xiàn)方法PCB圖系統(tǒng)測試：注意電源的去耦，尤其是模擬電路中對噪聲十分敏感。濾波器后的調(diào)零電路是對濾波器輸出與7107連接進行匹配，本電路使用負電源，滑動變阻器調(diào)節(jié)，在實驗調(diào)試中發(fā)現(xiàn)使用正負電源會好一些。該電路已制作完成，調(diào)零調(diào)試完成，在10hz到1M左右都是穩(wěn)定的。中頻段很穩(wěn)定，誤差也很小。還需要制作一個RC移相電路，進行進一步性能測試。2方案二數(shù)字電路實現(xiàn)方法制作原理：輸入信號V1*過零比較器異或門數(shù)字式脈沖占空比測量電路輸入信號V1*過零比較器異或門數(shù)字式脈沖占空比測量電路輸入信號V2過零比較器基于數(shù)字電路的實現(xiàn)框圖譯碼顯示*555單穩(wěn)1異或門輸出360分頻*555單穩(wěn)*555單穩(wěn)1異或門輸出360分頻*555單穩(wěn)2反相器與門PLL參數(shù)計算：本實現(xiàn)方法核心為PLL因此擴展所相范圍是關(guān)鍵，鎖相環(huán)外接電容電阻取值是關(guān)鍵。而單穩(wěn)的延時時間不超過PLL輸出信號的一個周期即可。PLL瑣相范圍由R1決定，因此若能取到一個壓控電阻，當電壓增大時，R減小，會取得較好的效果，因此使用二極管代替一般的電阻。imnimkm_L蕾HU■J-i—3J-l—1■-!―'4一上:7LJimnimkm_L蕾HU■J-i—3J-l—1■-!―'4一上:7LJ叵;.一5mkffiu-i?ib"llj_i=瑣相環(huán)參數(shù)選擇R的特性曲線

一1工二工「□?—<D-*數(shù)字電路實現(xiàn)方法PCB圖一1工二工「□?—<D-*系統(tǒng)測試：電源與接地由于這個電路使用了很多數(shù)字芯片，在布線時使用電源線和地線繞電路板一周布線的方法，可以使各芯片電源和地就近接，減少互相的干擾。（如上圖PCB所示）本電路板在五一之前可拿到。五一抓緊焊接調(diào)試，應該可以完成。3方案三CPLD和51單片機的實現(xiàn)方法制作原理：在CPLD中實現(xiàn)了將信號通過比較器并將兩個輸出異或，得到的周期性矩形波，要測定其占空比，并且制作高速相位計，采用概率論中的大數(shù)定理，中心極限定理，取N個周期，N遠大于1，CPLD的晶體振蕩頻率可高達100M，對于輸入信號進行N分頻由于分頻后一定為百分之五十的占空比，在這M個周期內(nèi)對再乘上360即得到了相位差。其中CPLD主要實現(xiàn)的是計數(shù)，單片機用于數(shù)據(jù)的處理和傳送顯示。軟件和硬件結(jié)合。

對輸入信號進行二分頻這里分頻后的信號高電平就是原信號的一個周期，計信號一高電平內(nèi)CLK的個數(shù)為n1,而信號二高電平內(nèi)個數(shù)為n2,易見n2/n1*360就是兩信號的相位差。同樣，在M個周期（為了實現(xiàn)高速相位計取M為一個很大的數(shù)）內(nèi)信號一的高電平內(nèi)CLK個數(shù)記為n1,而記信號二高電平內(nèi)CLK個數(shù)為n2,相位差為n2/n1*360.在CPLD中利用選擇信號實現(xiàn)對M個周期上的信號一或信號二的CLK計數(shù)，并產(chǎn)生控制信號將計數(shù)結(jié)果分時傳送進入單片機，編程實現(xiàn)n2/n1*360的運算結(jié)果。單片機實現(xiàn)乘法除法采用查表法比較好。并通過數(shù)碼管顯示。CPLD中程序的原理圖系統(tǒng)測試：該電路已制作完畢，調(diào)試過程中遇到問題：顯示不能夠穩(wěn)定在正確的數(shù)值處，總是在正確數(shù)值附近跳動，尤其在離中頻較遠時，跳動范圍更大，但在中頻處還是很準確并且較穩(wěn)定的，還需繼續(xù)調(diào)試。三種方案性能比較：方案（一）模擬電路采用比較器LM311和二階低通濾波電路并采用數(shù)字芯片7107直接實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換并驅(qū)動數(shù)碼管顯示。但由于受前端比較器和運放等轉(zhuǎn)換速率Sr的限制，高頻在幾兆左右，若過高超過比較器的轉(zhuǎn)換速率其輸出不能正確轉(zhuǎn)化為方波，從而產(chǎn)生錯誤。低頻考慮到低通濾波器的輸出穩(wěn)定時間不能過長也不能過低，固選擇濾波器的截止頻率在10HZ左右。因此模擬電路實現(xiàn)方法簡單，可測頻帶從10hz—1M左右，精度為1度。方案（二）數(shù)字電路實現(xiàn)中將兩個輸入信號相位差轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾ǜ唠娖秸伎毡鹊牟糠滞M方法，而相位差即一個周期內(nèi)的高電平占空比使用數(shù)字電路實驗中的“數(shù)字式脈沖占空系數(shù)測定”方法實現(xiàn)，PLL（鎖相環(huán)）可以實現(xiàn)精確的相位跟蹤，但是其鎖相范圍難以兼顧高頻和低頻。精度主要取決于單穩(wěn)的延時時間，即鎖存的時間。因此這種方法雖然較為精確但是頻率范圍相對較窄，在幾十K左右。鎖相環(huán)實現(xiàn)方法可測頻帶為幾hz到幾十K。精度不超過一度。方案（三）采用CPLD和單片機，利用CPLD編程實現(xiàn)對高電平的占空測定并與單片機通信進行數(shù)據(jù)處理與顯示，由于CPLD的時鐘頻率較高并采用概率論中有關(guān)知識取N遠大于1個周期先進行分頻后對這兩路信號進行相同時間內(nèi)的高電平計數(shù)，在程序中對數(shù)據(jù)加以處理，可以實現(xiàn)頻帶很寬的高速相位計。較理想的情況下可測