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用单片机低频数式相位测量仪2

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低频数字式相位测量仪c11

石油大学（华东）

尚海燕曹善甫梁锴

摘要

本系统由两片独立的CPU组成。用MSP430实现基本要求中的相位、频率、电压测量及

其数字和图形显示功能；用AVRmega8515实现扩展要求中的数字式移相信号发生器及其设置

频率和相位的功能。本设计充分利用了MSP430的高速硬件捕获功能来实现频率和相位的测

量，并利用AD转换器对数据进行进一步处理，在高低频段分别采用多次测量、滤波算法、

矢量分解、偏移修正等算法消除干扰提高精度，采用了大屏幕液晶显示测量的详细信息。利

用AVRmega8515配合16.384MHz的高速晶振，采用软件DDFS实现双路数字式移相信号发生

器，由于使用优化算法，实现了高达每秒655.36K次的双路相位计算，输出频率为

20Hz-40.48KHz，可实现20Hz的步进，系统硬件结构简单，频率、相位稳定度高；采用数码

管显示和按键设置频率及相位差。移相网络安题目要求由常规的模拟器件组成。本系统主要

由相位测量、移相网络和数字式移相信号发生器三大模块组成。

一、方案比较与论证

1、相位测量部分

方案一：传统的模拟法。该方案采用倍频、计数、门控等电路。此方法难以实现大频率

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范围的相位测量，精度低、稳定性差。

方案二：采用双通道高速A/D对输入的信号进行采集，然后FFT和基波的矢量分解的方

法计算出这两个信号的基频和相位。该方案精度高，算法简单，对畸变波形有一定的处理能

力。但要求在AD采集前作频率测量，在信号频率较高时，需要使用超高速AD转换器并且需

要较高的计算能力，一般需要使用DSP进行信号处理。硬件复杂，难度较高。

方案三：整形鉴相法。将输入的两相位不同的正弦波通过比较器进行整形，变成方波。

然后将两方波进行异或比较输出，从而得到两输入信号的过零时间差和两信号的周期，通过

计算获得信号的频率和相位。该方案较简单，但普通单片机需要通过扩展外部电路，增强计

时、计数能力才能达到满足题目要求的精度。

方案四：采用较高性能的混合信号处理器MSP430，采用方案三和方案二相结合的方式

对输入信号进行处理，在高低频段混合采用矢量分解和两相比较器输出方波信号跳变时间的

分析，准确计算出频率和相位差。此方法由于使用了混合信号处理器MSP430，集成度高，

片内包含多路高速且有缓冲存储能力的俘获单元，可以准确记录方波信号跳变时间，片内包

括速度高达200ksps且有连续操作和缓冲存储能力的12位ADC，为扩展各项功能提供了支

持。软件部分实现了自动频率测量、相位测量、信号源电压测量、信号波形显示，用软件采

用平均、矢量等算法进行多次复合测量消除噪声干扰、接触不良等引起的误差，并能在输入

信号异常（如直流分量高、信号严重畸变、信号太小、输入信号超量称等）状态下自动报警，

给出提示。此方案硬件比方案二和方案三都简单，而且测量精度高，功耗低，体积小。

2、数字式移相信号的产生部分

方案一：采用单片机的定时器产生数字信号，通过滤波或锁相等环节输出正弦信号。

该方案对单片机要求低，但产生的信号频率低，频率步进大，模拟部分产生较大相移，难以

保证输出的相位精度，很难达到设计要求。方案二：采用硬件直接数字频率合成（DDFS）技

术产生数字信号。直接频率合成方法具有频率转换时间短、近载频相位噪声性能好、精度高，

产生的信号频率范围宽等优点，但由于需要采用地址，相位计算，访问存储器操作等环节，

导致直接频率合成器结构复杂、体积庞大、成本高，功耗大。而且即使使用大规模的PLD，

也需要单片机来实现键盘、显示的控制等工作。

方案三：采用软件DDFS方法产生数字信号。该方案硬件实现简单，产生的信号精度高，

频率范围宽。采用高速的AVR单片机，使用16.384MHz的晶体振荡器可实现软件DDFS