低频数字式相位测量2低频数字式相位测量2.doc

低频数字式相位测量仪 设计报告 摘 要 本系统以EXP430G2单片机为核心，辅以必要的模拟电路，构成了一个基于具有高速处理能力的低频数字式相位测量仪。该系统由相位测量仪和移相网络组成；移相网络能够产生-45~45°相位差的两路信号；相位测量仪能够测量出具有0°~359°的两路信号的相位差，绝对误差小于2°，具有频率 测量及数字显示功能。经过实验测试，以上功能均可以准确实现。 关键字：单片机 移相 相位差 数字显示 1方案设计与论证 1．1移相网络设计方案 本设计的核心问题是信号的模拟移相程控问题，其中包括波形相位以及波形幅度的程控。在设计过程中，我们首先考虑了赛题中提供的方案。如图1-1所示： 该模拟电路主要采用高、低通电路的临界截止点来产生极值相位的偏移。当高、低通电路的截止频率等于输入信号频率时，根据其幅频特性，信号波形所产生的相位分别为45°和-45°，恰好满足赛题要求的连续相移范围-45°~45°的调节。由于高、低通电路在截止点时会产生幅度的衰减，故电路在后级加了放大电路，且采用了电压串联负反馈的方式提高了输入阻抗并降低了输出阻抗，电路最后还设计有调幅装置，能够很好地满足A、B输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3V—5V范围内变化。 综上所述，该移相网络能够满足赛题的所有要求，且电路设计简单、易行，故我们直接采用了这种方式来产生模拟的相移输出。 1.2相位测量仪设计方案 方案一：检相器可以利用正弦波形的正半周和负半周的对称特性。利用这一特性，正弦信号之间的相差可以在小于1/4信号周期的时间内被检测出来。 其中，双极性锯齿波的频率是参考信号的两倍。它的中心点与参考信号的 零点对齐。通过其幅度对应于输入正弦信号在半周期内的过零点的变化可以线性 地反映相位变化，并通过采样保持电路把锯齿波在该点的幅值转换成支流电压输出。其整体框图见1-3-2。 从实质上说，该方案为一个相位——电压转换电路，是将相位差近似的转换成电压信号，需要用极精密的芯片和调试方法来达到较高的精度，而且其转换出来的连续电压信号很难适合本题的数字化问题。应该说该方案比较适合做芯片的开发以适应其他的需求。 方案二：使用单片机定时计算的相位差测量电路。本系统对输入的信号进行了过零比较放大整形处理，使输入正弦信号转化为单片能识别的数字信号。用单片机控制两个16位定时计数器来采样两信号的过零时间差和信号的周期，以取来的大数据来满足对相位差的极高分辨率。采集的数据经单片机进行处理，以送至液晶或其他的显示装置以显示。 该方案具有思路相对清晰，容易实现，在辅以具有很强控制能力的单片机，所以，采取此方案成为目前阶段顺理成章的事情。 2系统设计 2.1总体设计 2.1.1系统框图 如图2-1-1所示。 系统内部三个单元的具体设计框图如下： 图2-1-1A 图2-1-1B 2.1.2模块说明 ①移相网络：利用高、低通电路的临界截止产生连续相移调节范围为-45—45°的模拟相位输出，通过放大电路及调幅装置实现幅度0.3V—5V连续可调。 ②相位测量仪：由单片机程序中的两个计数器分别对所测信号的相位差、周期进行计数，然后将数据进行处理并送液晶显示。 设计方案论证 1 电路各部分介绍 图5.1所示的模拟移相网络是以运放为核心构成的模拟电路，为了分析的方便，将图5.1重画于图5.2中，该模拟移相网络的构成具体情况如下: (1) 两条RC串联电路分别是滞后网络和超前网络。 (2) 运放 A1、A2是电压跟随器，分别取得信号UR和UC，并隔离其前后两部分电路，使其前后两部分互相不产生影响（指不良影响）。 (3) A4构成同相放大电路，其电压放大倍数大于1。UB与Uo同相。 (4)A3是电压跟随器。UA与Ui同相。 (5) RP1 电位器是移相电位器（shift phase）。 (6) RP2 、RP3电位器是输出电压幅度调节电位器。 图5.2 重画移相网络 2 电路工作原理 （1） 画相量图 设Ui是正弦信号，则UA与UB是两个同频率的正弦信号。所谓相位，是指相位差，即UB与UA的相位差，不妨令相位差为θ。所谓移相，是指改变θ。画相量图如图5.3所示。在画相量图时，考虑了两条并联的RC移相电路是参数相同的，因此，两条RC电路中两个电阻R上的电压完全相等（相位、频率、幅值都对应相等），两个电容C上的电压也完全相等，并且考虑了电压跟随器A1、A2的电压跟随特性。 由于UA与Ui同相，且UB与Uo同相，因