低频数字式相位测量仪-Read.doc

低频数字式相位测量仪 ? 摘要：本设计给出了以凌阳16位单片机Spce061A为核心的数字式相位测量的基本原理与实现方案。该系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三个模块构成，分别由两块单片机独立地实现控制与显示功能。采用DDS技术生成两路正弦波信号，并通过改变存储器中数据读取的起始地址来实现数字移相的功能，用Ф-T变换技术来实现相位差的测量，使得测量分辨率精确到0.1o，测得的频率与相位差值送入LCD进行显示，加入红外键盘以及语音播报的功能，使得系统具有智能化、人性化的特色。 关键词：相位测量 频率测量 数字移相 DDS 语音播报 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 引言：随 着相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在低频范围内，相位测量在电力、机械等部门有 着尤其重要的意义，对于低频相位的测量，用传统的模拟指针式仪表显然不能够满足所需的精度要求，随着电子技术以及微机技术的发展，数字式仪表因其高精度的 测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。基于这些要求，我们设计并制作了基于Spce061A凌阳16位单片机为核心的低频数字式相位测量系统。 ? 一 方案论证与设计 1 相位测量方案 方案一：将被测的两路正弦波信号经比较器整形成方波信号，利用异或门电路进行鉴相处理，将得到的脉冲序列经过RC平滑滤波取出其直流分量，该直流电平的幅值与两路信号的相位差成正比，将此信号送入A/D转换器由单片机进行运算处理从而计算出相位差值。 方 案二：采用脉冲填充计数法，将正弦波信号整成方波信号，其前后沿分别对应于正弦波的正相过零点与负相过零点，对两路方波信号进行异或操作之后输出脉冲序列 的脉宽可以反映两列信号的相位差，以输入信号所整成的方波信号作为基频，经锁相环倍频得到的高频脉冲作为闸门电路的计数脉冲，由单片机对获取的计数值进行 处理得到两路信号的相位差。 方 案三：鉴相部分同方案二，将两路方波信号异或后与晶振的基准频率进行与操作，得到一系列的高频窄脉冲序列。通过两片计数器同时对该脉冲序列以及基准源脉冲 序列进行计数，一路方波信号送入单片机外部中断口，作为控制信号控制两片计数器。得到的两路计数值送入单片机进行处理得相位差值。 对以上三种方案进行比较，方案一在低频段时，RC滤波电路的输出波动很大，难以达到要求的相位精度，而方案二在所测频率较高时，受锁相环工作频率等参数的影响会造成相位差测量的误差，极大地影响测量的精度，采用方案三由高精度的晶振产生稳定的基准频率，可以满足系统高精度、高稳定度的要求。 2 频率测量方案 方案一：用专用频率计模块来测量频率，如ICM7216芯片，其内部带放大整形电路，可以直接输入正弦信号，外部振荡部分选用一块高精度晶振和两个低温度系数电容构成10MHz振荡电路，其转换开关具有0.01s，0.1s，1s，10s四种闸门时间，量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果。 方案二：利用可编程计数器来实现频率的测量，将被测信号转换为方波信号输入可编程计数器8254的某一路Clk端口，并将Gate端置为高电平，利用单片机产生的定时中断来控制8254的计数，最后计数值送入单片机处理并输出。 对以上方案进行比较，利用频率计模块来实现频率测量，ICM7216的外围硬件电路复杂，测频精度不够高；而采用方案二，用单片机控制计数器工作，硬件简单且频率测量精度高，这也是目前较为成熟的一种高精度测频方案。因此采用方案二来实现频率的测量 3 数字移相信号发生器方案 在数字移相信号发生器模块电路中，首先要生成相位测量仪所需的两路不同相位的正弦波信号，目前DDS已经是很完善的一种数字信号产生方案，所以在该部分，我们主要对产生正弦波信号的数字移相方案进行论证。 方案一：将正弦波量化为一张数据表分别存储于两片 之中，通过单片机控制计数器来对存储器中的数据进行寻址，并经过两片D/A转换芯片循环的输出该数据表，当两路D/A转换芯片所获得的数据序列不同时，转换所得的两路正弦信号存在相位差，相位差值仅与数据地址的偏移量有关。 方案二：将参考正弦波转换为方波，以此信号为基准，延时后产生另一路同频率的方波，通过改变延时的长短来控制两个波形的相位差大小，最后通过波形变换电路将其还原为两路有相位差的正弦波输出。 综合以上两种方案，利用方案一，采用2K的存储芯片2817存储量化的正弦波数据，通过单片机可以较精确的控制移相的大小，实现1o相位差步进，而且硬件电路较为简单，而方案二虽然也可以精确控制移相，但是相对而言硬件电路更为复杂，调试较为麻烦，因此我们采用第一种方案来实现数字移相。 4 显示部分设计方案 方案一：采用八位共阴极LED数码管进行显示，利用单片机串行口的移位寄