低频数字式相位测量仪制作报告具体的移相网络Word文档下载推荐.docx
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这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。
ICL8038可方便的产生频率可变的正弦波以及实现数控频率调整,但是其频率稳定度低,步长控制难以达到理想效果。
延时时间可以利用高速晶振来精确获得,在20KHz时,只需要7.2M的晶振即可以达到题目要求的1°
步进值。
此方案硬件电路比较复杂。
2.相移网络原理框图
图2-2
二.主要电路设计与计算
1.单片机小系统(电路图详见附录)
系统板的设计以8051单片机为核心辅以RAM、ROM构成。
为了使系统更加灵活,在系统板上集成了一块可编程逻辑器件EPM7128。
该器件可用来扩展I/O口和分配各个外围器件的地址空间,并且可以方便实现各种逻辑,来满足外围器件的各种时序要求。
由于其速度较高,可以完成一些高速的数据采集等工作。
单片机系统是整个系统的核心,它完成人机界面、系统控制、数据分析、处理、变换,是协调整机工作的控制器。
CPLD完成采集控制逻辑及显示控制逻辑。
由单片机控制CPLD测频和测相位,处理接收的数据,显示输出。
为了保证系统的稳定可靠,系统板上加入了X5045看门狗芯片。
该芯片内部集成了256Byte的FLASH-ROM,非常适合那些要求掉电期间保护少量数据的系统。
考虑到键盘应用的灵活性,键盘接口没有采用HD7279这类专用芯片,而用一片89C2051单片机专门负责4×
4键盘的扫描,当发现有键按下时,它给主CPU发送一个中断,并且送出数据,数据通过CPLD发到主CPU的数据总线上。
当主CPU响应中断后,读入数据并判断键值。
由于是我们自行编写程序,各个键盘功能可以随时更改。
在实际应用中非常灵活。
显示器件采用的是LG公司出品的型号为LG128643的点阵液晶。
该液晶块使用方便,易于编制易懂的中文分级菜单界面,人机交互性好。
液晶的控制采用总线控制方式,不占用I/O口,通过系统板上集成的一块可编程逻辑器件EMP7128,来满足液晶对时序的各种要求,以实现液晶的总线模式控制。
2.数字相位频率测量仪
测量频率与相位差,用可编程逻辑器件EPM7128LC84-15实现。
测量时可编程逻辑器件需要与单片机通信并显示实时测量数据,故将其做成单片机的外设,挂在总线上。
通过并行方式利用控制字控制其完成测量频率﹑相位差﹑判断相序等功能。
1.前端信号变换电路
电平变换采用TL084和74LS04实现。
详见图3-1。
图3-1
为了满足题中不同的电平输入要求和提高输入阻抗,将信号同相放大11倍后(当输入信号幅度较大时,放大后的信号会出现削顶失真,但这不影响下面的信号整形),由运放U4B进行过零迟滞比较得到方波,经反相器整成TTL电平,送往CPLD进行测量。
假设迟滞比较器运放U4B输出低电平为12V(实际小于该值),则运放U4A的输出信号幅值
需满足
,才能使迟滞比较器可靠翻转。
按照图中参数,可得
=1.88V,考虑到此信号是输入信号的11倍,故输入信号的最小峰值约0.2V,满足题目要求。
事实上,增大R3,输入信号峰值还可以继续降低,但这样抗干扰能力亦会降低。
2.频率测量部分
频率测量一般有测量周期和直接测量频率两种方法,本题将两种方法结合使用,以达到较高的测量精度。
由于题目要求的是低频,故只将频率范围扩展到10Hz~35KHz,为了提高频率测量精度,我们将整个频段分为10Hz~5Hz和5KHz~35KHz两段,在10Hz~5KHz范围时测量信号周期,5KHz~35KHz范围时直接测量频率,取5KHz为分界点的理论依据为用周期测量法测量时,频率越高误差越大,相反,直接频率法测量时,频率越低误差越大。
基准时钟脉冲为20MHz,在5KHz时,周期测量法误差为
直接频率法的误差为
因此,以5KHz为分界点进行频率测量,可使相对测量误差最大为
,可达到所要求精度。
用周期测量法时,在CPLD中生成一个24位的计数器,理论上可以测量到
Hz(20M晶振)
满足题目要求。
原理如图3-2
图3-2
直接测量时,由CPLD产生1s钟的门控信号,此时仍用同一内部计数器,只是计数器的CLOCK端由基准时钟改接为被测信号,把计数器的CLOCKEN端接到单片机的1s门控信号,根据理论推算可以测量的最大频率为
MHz
远远超出了35KHz的范围,满足设计要求。
原理如图3-3
图3-3
3.相位差测量部分
题目要求的相位读数为0~359.9º
,测量的绝对误差≤2º
,故采取周期测法测量相位差。
这样在35KHz时的测量精度为
可以满足要求。
当单片机测量相位差控制字有效时,CPLD内部时钟的CLOCK接到20MHz基准时钟端,CLOCKEN端接到原始信号与侧移信号的逻辑输出端,由于侧移信号由原始信号获得,所以频率是相等的,两个上升沿之间不可能超过一个信号周期,因此,可以采用下面的方法进行测量:
当原始信号上升沿到达时,CLOCKEN置高,开始记数,直到侧移信号的上升沿到达,将CLOCKEN置0,锁定,计数器停止记数,单片机通过控制字将数据读回,计算后显示出相位差。
原理如图3-4
图3-4
在本系统中,CPLD是作为单片机的一个外设来控制的,通过写入不同的控制字,CPLD实现不同的功能。
CPLD的内部只做了一个计数器,周期,频率及相位差数据都由同一个计数端提供,在完成不同任务时,计数器的时钟端CLOCK所接入的时钟信号与时钟允许端CLOCKEN所接的控制信号进行相应的切换,这样,就可以节省许多空间,使用一片PM7128LOC84-15完成该部分的制作。
3.移相网络
1.AGC电路
考虑到实际输入信号变化很大,在移相网络前端加入了自动增益控制(AGC)电路。
在48dB的输入范围内,均能达到题目的输出电压要求,而不需要后级电路改变增益。
我们采用的是由MPY634模拟乘法器构成的AGC电路(图3-5)。
MPY634是由德州仪器生产的一款高性能模拟四象限乘法器。
其输入输出函数关系为:
图3-5
其中A为运放增益,可认为是无穷大。
SF=10
按照图中连接形式,则其函数关系为:
X1连接的是输入信号峰值检波放大1.5倍后的的电平,Z2接输入信号,故AGC输出电压的峰值约为6.7V(即10/1.5)。
峰值检波后的RC阻容网络其时间常数约5秒,这是AGC电路起作用的时间。
1.相移电路及分析
题目中所给的移相电路的转移函数为:
其中
(为图中可变电阻RES2的分压比)
相移函数为:
当d=1,正向相移最大,当d=0时,反向相移最大。
(d=1)
(d=0)
最后结果为CRw=1***
为验证理论分析的正确与否,将此电路在Multisim2001中进行仿真测试,所得仿真结果与理论值一致。
相关仿真结果如下:
图3-6
d=0时的仿真结果。
(幅度大的是原信号,幅度小的是移相后的信号)
可以清晰地看到移项后的信号相位落后约45°
。
图3-7
d=1时的仿真结果。
可以清晰地看到移项后的信号相位超前约45°
取.C为0.01uF,则当f=100,1K,10KHz时,R分别为159.23K,15.92K和1.592K。
对应不同频率,需要切换相应的电阻网络。
切换电阻网络采用CD4052模拟开关实现。
通过对拨码开关置数,实现在不同频率下的相移。
由于题目要求的只有三个输入频率,但实际中要求的移相频率很多,因此我们利用CD4052的第四个模拟开关,设计了自定义相移频率的模式。
即可以根据公式***得到相应的R值(C值已固定,约8.5nF,实测值)接入板上预留的接口,即可在使用者需要的频率点上实现±
45°
的相移,具有一定的实用性。
这里C为独石电容;
移相网络中的各个电阻值由精密可调电阻得到。
原信号与移相网络信均经过可调电阻分压后跟随输出,具有一定的驱动能力。
移相网络见图3-8。
图3-8
5.滤波部分
DDFS输出的频率范围相对很宽,用一般模拟带通滤波器无论其中心频率f0为何值,均无法实现整个频带内实现滤波,一个经常使用的方法是分段滤波,但这样电路复杂,调试困难。
开关电容滤波器克服了这个问题,用时钟频率控制通带中心频率,通带波动小,阻带衰减大,这里采用了集成电路LMF100实现了整个通频带的滤波。
其时钟信号没有采用传统的锁相环倍频,而是利用DDFS输出地址信号的低二位得到128倍频信号,经CPLD实现的5进4出吞脉冲功能,得到约100倍通带频率的时钟脉冲信号。
利用LMF100的滤波器A和滤波器B,分别对由DDFS生成的两路进行滤波,由于两电路特性一致,由滤波所产生的相位差互相抵消,对设定的相位没有影响。
考虑到实际元器件的偏差,最后测试结果仍能达到0.5
的移相精度。
参考LMF100的技术手册,采用图3-12的电路形式。
图3-12
滤波器A相关参数公式如下(滤波器B类似):
(f=f0)
这里取R1=R2=R3=10K.
在实际制作中,测量发现开关电容滤波器的输出信号是断续的,虽然频谱有所改善,但相比DDFS直接产生的信号而言,从示波器上看,反而较差。
同时由于DDFS的信号取样点较多,实际产生的信号失真很小,为此增加一个直通开关,即在DDFS生成信号后加一小电容平滑后直接输出。
具体选择何种方式输出,视实际需要切换。
三.系统软件工程流程图
本题单片机工作量较大,整个程序用Keil-C51编写。
采取自下到上的调试方法,即单独调试好每一个模块后,再连接成一个系统进行统调。
1.相位频率测量部分软件流程图
图4-1
2.数字移相信号发生器部分软件流程图
1.预置频率相位部分
图4-2
2.键盘中断部分
图4-3
四.系统调试及整机指标
1.整机调试
2.实际指标
(1).测试仪器仪表
1.信号发生器茂迪FG503
2.3位半万用表胜利VC890C+
3.数字存储示波器TektronixTDS2024
(2).系统测试结果
(3).误差分析