基于锁相技术的高精度程控相移信号发生器(竞赛).doc

基于锁相技术的高精度程控相移信号发生器 研制一款基于AT89C52单片机、双口RAM和数字锁相技术的高精度程控相移信号发生器。 相移信号在电子、通信、科学研究或在工厂电子产品的品质分析检验中有着广泛的应用；两个同频相移信号是电子行业电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段有许多不足之处，如输出波形受输入波形的影响，移相，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移精度较高，移相z～20kHz，分辨率为1度，频率和幅度的调节均可程控的高精度相移信号发生器。 主要技术指标： 1．可以产生正弦波、方波、以及三角波三种波形。 2. 输出频率可以实现从20HZ～20KHZ变化。 3. 信号频率数控调节，最小频率步进为1HZ。 4. 相移范围0——359度，最小相移步进为1度。 5. 用LED数码管实时显示波形的相关参数。 系统组成框图： 第一章 概 述 1.1 移相信号发生器简介 移相技术广泛应用于工厂电子产品的品质分析检验、相位测量、相位表的检定、同步检测器的数据处理以及实验室和一些重要的科研机构。在交流功率、交流电能的测量及测量线路的研究中，移相器是交流试验装置中不可缺的重要组成部分，诸如电能表校验台、交流电工仪表校验台、电量变送器校验台、继电器校验台等。在对电能表进行不同功率因数下的误差试验时，需用移相器改变电路里电压和电流回路之间的相角；在对电力系统中用于方向电流保护的功率方向继电器和用于距离保护的方向阻抗继电器等进行试验和调整时，也要用到移相器以提供相位可变化的电气量。两个同频信号之间的移相是电力行业继电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段。因此，移相技术有着广泛的实用价值。 移相发生器的研究相对于其它仪器来说，起步比较晚，而基于微处理器的数字式移相信号发生器研究，更是近几年的事。 目前市场上主要有模拟移相信号发生器和基于微处理器的数字式移相信号发生器两类。模拟移相信号发生器(如阻容移相变压器移相铁氧体微波移相模拟压控移相有许多不足之处，如输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等偏重硬件的精度较高，但制造及调试较复杂偏重软件的结构简单，成本较低，但往往精度受影响多、耗电功率大、噪声大、造价高、可靠性差等缺点。 为了进一步提高移相信号源的性能指标，简化硬件电路，黑龙江省计量科学研究所的同志[2]提出了应用锁相技术、微程序设计技术及数/模转换技术等,设计一种逻辑存储移相信号源。该数字移相信号源具有使用元件少、集成度高、性能好、结构简单和便于程控等优点。 近年来，直接频率合成技术（DDS技术）也逐渐的应用于移相信号发生器，使移相信号发生器性能进一步提高。 1.2 频率合成技术 频率合成技术在本世纪30年代开始提出[5]，它的发展已经有70年的历史。在这70年的历史中，大致可以分成三个发展阶段：直接式频率合成技术，锁相环频率合成技术以及直接数字频率合成技术。 所谓直接式频率合成技术[7][8][9]，就是用倍频、分频和混频电路对一个或几个基准频率进行加、减、乘、除的运算，从而产生所需要的频率信号，并通过窄带滤波器选出。直接频率合成器的频率范围宽，频率转换较快，可以达到微秒级，频率间隔较小（10-2HZ），工作稳定可靠；但寄生输出大，需要大量的模拟元件，结构复杂，体积大，成本高。 锁相环（Phase-Locked Loops）频率合成技术改善了直接频率合成技术中的缺点。锁相环频率合成技术（PLL）是在40年代初根据控制理论的线性伺服环路发展起来的。它主要是将含有噪声的振荡器放在锁相环路内，使它的相位锁定在希望的信号上，从而使振荡器本身的噪声被抑制，使它的输出频谱大大提纯。 锁相环频率合成技术的原理框图如图1—1所示。其主要由四部分构成，晶体参考频率源提供基准频率fs，压控振荡器的输出频率fo经分频器分频后，送入鉴相器，与基准频率进行相位比较，从而产生误差信号，并以此误差信号来调整压控振荡器的输出。其中环路滤波起着平滑鉴相器输出电压的作用，它能滤掉高频部分和噪声，从而增加系统的稳定性。 图1—1 锁相环频率合成技术原理框图 锁相环频率合成技术提供了一种从单个参考频率获得大量稳定而准确的输出频率的方法，并且频率输出范围宽，电路结构简单，成本低。但由于它是采取闭环控制的，系统的输出频率改变后，重新达到稳定的时间也就比较长，因此，响应慢就是它的固有缺点[9]。 1.3 DDS合成技术 直接数字频率合成技术（DDS）的理论早在七十年代就被提出[7]，它的基本原理就是利用采样定理，通过查表法产生波形，由于硬件技术的限制，DDS技术当时没能得到广泛应用。但是随着大规模集成电路技术的飞速发展，DDS技术的优越性已逐步显现出来。不