低頻數字式相位測量儀

PAGEPAGE1低頻數字式相位測量儀設計報告目錄1方案設計與論證 21．1移相網絡設計方案 21.2相位測量儀設計方案 32系統(tǒng)設計 42.1總體設計 42.1.1系統(tǒng)框圖 42.1.2模塊說明 42.2各模塊設計及參數計算 52.2.1移相網絡設計及R、C參數設定 52.2.2相位測量儀設計 52.2.3軟件系統(tǒng) 63.結論 74.參考文獻 75．附錄 7系統(tǒng)設計圖 7摘要本系統(tǒng)以單片機為核心，輔以必要的模擬電路，構成了一個基于具有高速處理能力的低頻數字式相位測量儀。該系統(tǒng)由相位測量儀和移相網絡組成；移相網絡能夠產生-45~45°相位差的兩路信號；相位測量儀能夠測量出具有0°~359°的兩路信號的相位差，絕對誤差小于2°，具有頻率測量及數字顯示功能。經過實驗測試，以上功能均可以準確實現。關鍵字：單片機移相相位差數字顯示1方案設計與論證1．1移相網絡設計方案本設計的核心問題是信號的模擬移相程控問題，其中包括波形相位以及波形幅度的程控。在設計過程中，我們首先考慮了賽題中提供的方案。如圖1-1所示：VV1V2圖1-1VV1V2圖1-1該模擬電路主要采用高、低通電路的臨界截止點來產生極值相位的偏移。當高、低通電路的截止頻率等于輸入信號頻率時，根據其幅頻特性，信號波形所產生的相位分別為45°和-45°，恰好滿足賽題要求的連續(xù)相移范圍-45°~45°的調節(jié)。由于高、低通電路在截止點時會產生幅度的衰減，故電路在后級加了放大電路，且采用了電壓串聯負反饋的方式提高了輸入阻抗并降低了輸出阻抗，電路最后還設計有調幅裝置，能夠很好地滿足A、B輸出的正弦信號峰—峰值可分別在0.3V—5V范圍內變化。綜上所述，該移相網絡能夠滿足賽題的所有要求，且電路設計簡單、易行，故我們直接采用了這種方式來產生模擬的相移輸出。1.2相位測量儀設計方案方案一：檢相器可以利用正弦波形的正半周和負半周的對稱特性。利用這一特性，正弦信號之間的相差可以在小于1/4信號周期的時間內被檢測出來。其中，雙極性鋸齒波的頻率是參考信號的兩倍。它的中心點與參考信號的零點對齊。通過其幅度對應于輸入正弦信號在半周期內的過零點的變化可以線性地反映相位變化，并通過采樣保持電路把鋸齒波在該點的幅值轉換成支流電壓輸出。其整體框圖見1-3-2。圖1-3-2圖1-3-2從實質上說，該方案為一個相位——電壓轉換電路，是將相位差近似的轉換成電壓信號，需要用極精密的芯片和調試方法來達到較高的精度，而且其轉換出來的連續(xù)電壓信號很難適合本題的數字化問題。應該說該方案比較適合做芯片的開發(fā)以適應其他的需求。方案二：使用單片機定時計算的相位差測量電路。本系統(tǒng)對輸入的信號進行了過零比較放大整形處理，使輸入正弦信號轉化為單片能識別的數字信號。用單片機控制兩個16位定時計數器來采樣兩信號的過零時間差和信號的周期，以取來的大數據來滿足對相位差的極高分辨率。采集的數據經單片機進行處理，以送至液晶或其他的顯示裝置以顯示。該方案具有思路相對清晰，容易實現，在輔以具有很強控制能力的單片機，所以，采取此方案成為目前階段順理成章的事情。2系統(tǒng)設計2.1總體設計2.1.1系統(tǒng)框圖如圖2-1-1所示。圖圖2-1-1系統(tǒng)內部三個單元的具體設計框圖如下：圖2-1-1A圖2-1-1-B2.1.2模塊說明=1\*GB3①移相網絡：利用高、低通電路的臨界截止產生連續(xù)相移調節(jié)范圍為-45°—45°的模擬相位輸出，通過放大電路及調幅裝置實現幅度0.3V—5V連續(xù)可調。=2\*GB3②相位測量儀：由單片機程序中的兩個計數器分別對所測信號的相位差、周期進行計數，然后將數據進行處理并送液晶顯示。2.2各模塊設計及參數計算2.2.1移相網絡設計及R、C參數設定題目要求連續(xù)相移范圍；-45°~45°，根據高、低通電路的幅頻特性，高通電路中存在:，，同樣在低通電路中存在:，，可見當f=fL=fH時,高、低通電路均處于臨界截止態(tài),此時兩信號幅度均衰減為原信號幅值的,且相位分別為45°和-45°。由于賽題要求輸入信號頻率為；100H到1KHz選一個信號，所以R、C選擇應分別滿足時間常數值s到s。為了方便設計和調試故我們在高通電路中采用0.22u的固定電容和阻值分別為7.5K的精密電位器；而在低通電路中我們采用1u的固定電容和阻值分別為1.5K的精密電位器，精確地達到了題目的要求。為使A、B輸出的正弦信號峰—峰值可分別在0.3V—5V范圍內變化，根據以下公式：、、，可得移相網絡中的后級放大只需放大兩倍即可。根據電壓串聯負反饋的放大公式：，圖1-1中應取R3=R4=1K,便可達到要求。2.2.2相位測量儀設計由于信號波形的幅度不同以及由比較器LM311構成的過零電路對于正弦信號輸入后沿有不可忽略延遲，所以我們使用整流信號的上升沿作為中斷的控制信號，故在過零電路后加反相器便于單片機識別。因為輸入信號幅度為1~5V，為了使整流電路正常工作，必須將小信號部分放大，在設計中我們采取了前級放大6倍。此外，在放大電路之前我們還裝配了電壓跟隨器，滿足了基本部分中相位測量儀的輸入阻抗大于等于100KΩ。在相位差測量過程中，不允許兩路被測輸入信號在整形輸入電路中發(fā)生相對相移，或者應該使得兩路被測信號在整形輸入電路中引起的附加相移是相同的，因此，我們對A、B兩路信號采用了相同的整形電路。為了避免出現被測輸入信號在過零點時多次觸發(fā)翻轉的現象，我們設計了第二種整形電路，即使用施密特觸發(fā)器組成的整形電路。為了保證輸入電路對相位儀測量不帶來誤差，必須保證兩個施密特觸發(fā)器的兩個門限電平對應相等，這可以調節(jié)電位器來實現。本系統(tǒng)所設計的測量周期和相位差的計數器為單片機內部的兩個16位計數器，而且采用了對周期、相位差的等精度測量，其測量誤差直接取決與單片機的晶振的頻率及其穩(wěn)定性。而本系統(tǒng)所采用的晶振為24M的晶振，在最大程度上減小了系統(tǒng)誤差。2.2.3軟件系統(tǒng)本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)很大，采用C51編寫。由于仿真機對C51支持的靈活性，單片機采用先仿真機模擬調試，后下載到單片機來調試。相位測量儀軟件流程圖如圖2-3-1所示。圖圖2-3-13.結論我們設計的系統(tǒng)完成了題目的基本功能、基本指標，而且在精度上有較大提高；雖然最后我們沒能成功地完成每一步，但是總體上來說這次競賽是我們第一次完全地靠自己做出一個產品，我們拿到題目后，分工進行查資料，模擬軟件仿真，由于是模擬的怕仿真效果不好，我們在確定電路之前還進行了實物仿真，最后電路和程序基本上都已經實現，除了顯示不是很穩(wěn)定，誤差不是很理想還蠻順利的。4.參考文獻孫涵芳、徐愛卿編著：MCS—51系列單片機原理及