低频数字式相位测量仪制作报告具体的移相网络.docx
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低频数字式相位测量仪制作报告具体的移相网络
低频数字式相位测量仪制作报告
摘要
本系统由低频数字相位频率测量仪，输入移相网络和数字式移相信号发生器组成。
利用CPLD，单片机控制模块实现了高精度的频率相位测量。
数字式移相信号发生器采用直接数字频率合成（DDFS）技术，输出频率范围宽，控制精度高。
由于在DDFS系统中采用了双D/A输出形式，信号幅度采用数字调节方式，输出信号幅度稳定。
移相网络的输入采用了自动增益控制（AGC），实现了高达48dB的宽范围输入，实现信号的自动稳幅输出。
此外，本系统友好的人机界面，合理实用的功能扩展，使整个系统更利于实际使用。
一．方案设计与论证
1.数字移相信号部分
方案一：
参考信号发生采用单片压控函数发生器。
将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号，以延时的长短来决定两信号间的相位值。
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。
（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
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