数字相位测量仪设计报告向霖.docx
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数字相位测量仪设计报告向霖
数字相位测量仪设计报告
1、设计内容
设计并制作一个低频相位测量系统，主要完成对两路低频同频同幅信号的相位测量和结果显示的功能。
本次设计的主要目的在于通过自行比较方案、设计、实现最后调试来提高实际动手的能力，加深对模电、数电和单片机知识的理解和运用。
主要性能指标
a．待测信号频率范围：
20Hz～20kHz。
b．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在0.5V～5V范围内变化。
c．相位测量绝对误差≤1°。
d.自动分辨相位的超前或滞后。
e．相位差数字显示：
相位读数为-359.9o~+359.9o，分辨力为0.1°。
2、相位差测量仪简介
同频率信号间相位差的测量在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、电子、地球物理勘探等许多领域都有着广泛的应用。
如测某元件的阻抗Z＝（U/I）∠φ，因此要知道复阻抗就要知道电压与电流间的相位差φ；另外在间接调频电路中，利用电压控制谐振电路的中心频率，从而使载波的相位φ产生漂移Δφ，即频率随控制电压改变。
在这种调频电路中要确定控制电压与相移Δφ间线性变换的范围，因而就需要测量输入与输出信号间的相差Δφ，以便确定线性控制的范围；而在工业领域中，相位是衡量安全的重要标准，例如在电力系统中，当电网合闸时，要求两电网电信号的相位相同，如果两路信号的相位不同，会出现很大的电网冲激电流，对供电系统产生巨大的破坏力；还有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中也具有重要意义。
因此，精确测量出两个信号的相位差是非常重要的。
相位测量仪可以对各种信号进行测量分析。
从采集信号的方式看，相位测量仪可分为两大类：
一是有线相位测量仪，二是无线相位测量仪。
2.1、有线相位测量仪
通过有线接口直接从信号源采集信号，将此信号与基准信号或另一路同频采集信号进行相位差比较、测量，最后输出结果。
2.2、无线相位测量仪
无线相位测量仪目前主要应用在高压电路方面，相位信息的传送采用无线方式装置，这样使高压线路相位检测更为简便、安全，发送装置和接收装置通信距离可达30m以上。
高压无线相位测量仪由两部分组成：
两个发送装置、一个接收装置。
首先利用无线电理论，电磁波在天线电感线圈上可以感应出相应电动势的原理，并利用串联谐振电路和窗口比较器等电路实现对相位进行采集。
发送装置将具有相位信息的信号调制后通过无线方法发送到接收装置，接收装置通过解调和比较电路测量出了两条被测线路之间的相位差，实现了对高压线路相位的检测。
由上可知无线测量与有线测量只是对信号的采集方式不同，测量模块部分是相同的。
3、相位差测量的基本原理：
相位差测量的基本原理归结起来有通过对三角函数的运算、通过对傅氏级数的运算及通过对信号波形的变换和比较三种，各自的实现方法如下：
方法一：
矢量法。
任何一正弦函数都可以用矢量来表示，如两个正弦信号幅度相等、频率相同，运算器运用减法器则合成矢量的模。
这种方法用于测量小角度，灵敏度较好，可行度也较好；而在靠近180°附近灵敏度降低，读数困难也不准确。
由于输出是一余弦或正弦函数，因此这种方法适用的频带范围是较宽的。
方法二：
倍乘法。
任何一周期函数都可以用傅氏级数表示，在这里运算器是一个乘法器，两个信号是频率相同的正弦函数，相位差为一个角度，运算结果再经过一个积分电路，得到一直流电压V，电路的输出和被测信号相位差余弦成正比例，因此其测量范围在45°以内，欲使测量范围扩展到360°，需要附加一些电路才能做到。
这种方法由于应用了积分环节，可以滤掉信号波形中的高次谐波，抑制了谐波对测量准确度的影响。
方法三：
过零点检测法。
过零检测法是将基准信号正向通过零的时刻与被测信号通过零的时刻进行比较，由二者之间的时间间隔，即可推算出两信号之间的相位差。
相比上面两种方法而言，从灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看，过零点检测法较好，它还易于实现数字化和自动化，现代的数字相位表多采用这种原理构成。
4、方案分析：
4.1模拟相位测量仪
模拟相位测量仪通常是将相位差转换为电压等模拟量然后进行测量，结果主要以模拟指针方式显示。
目前，模拟相位检测器有以下几种类型：
4.1.1“乘法和积分”型
在“乘法和积分”型的相位检测器利用“倍乘法”的基本原理，两个输入信号首先相乘，然后对乘积的信号进行低通滤波。
这样就能在输出端抑制组成纹波的交流份量，并得到与相位差成正比的直流分量。
由于滤波器的线性是极好的，所以这种检测器的线性主要决定乘法器的线性。
这种类型的检测器最大优点是测量相位与被测信号的频率无关。
但在实际应用中受到许多制约条件，例如：
信号电平、频率、相位测量周期，电源成本等。
4.1.2“采样／保持”型
在采样／保持（S／H）型检测器中，首先把输入信号转换为逻辑信号。
然后，逻辑信号驱动一级数字电路，从而产生参考信号和采样信号。
其中参考信号又产生一个线性电压斜坡，而采样信号采样斜坡电压，采样的电压正比于斜坡斜率和采样信号相对参考信号的延迟。
这种检测器的线性由斜坡线性确定，相位灵敏度是正比于斜坡斜率，而响应速度是极快的（一个采样延迟）。
由于要把采样的电压规格为斜坡峰值，所以改变峰值能够影响频率灵敏度。
因此，这种检测器不适合频率可变的电路，
4.1.3（HP／SH）型
这是上述两种类型检测器的组合，首先将两个输入信号（X1和X2）直接触发相位检测器的数字电路，从而使逻辑电路产生三个信号：
一个方波信号S和两个采样信号Sp1、Sp2，方波信号S的振幅E（参考电平）是恒定的，而周期等于Xl的周期。
S信号的占空比正比于X2相对X1的延迟时间，即正比于输入信号间的相位差。
S信号的上升沿和下降沿分别与x1和X2触发电平的交叉点重合。
采样脉冲Sp1是由s信号上升沿产生的，而采样脉冲Sp2是由S信号下降沿产生。
方波信号S通过简单的CR高通滤波器滤波，而滤波器的输出信号F由Sp1和Sp2进行采样。
如果把Sp1和Sp2的宽度分别调节到S的上升沿和下降沿之外，并延长一点，则S／H将能采样和保持F信号的大部分正电平和大部分负电平。
输出是S／H电路中所保持的两个电平之和。
这种检测仪的优点有：
1、响应速度快，在输出纹波相同时，响应速度比“乘法和积分”型相位检测器快100多倍；2、无纹波输出；3、与输入信号频率的变化无关，在相位测量时，测量灵敏度与输入信号频率的变化无关；4、性价比高。
4.1.4专用集成鉴相器
使用专用集成芯片可以实现利用相对简单的电路对高频信号相位差进行较高精度的测量。
如下例基于AD9901设计的相位测量仪能达到很高的精度，测量信号的频率最高可达200MHZ。
AD9901是美国ADI公司生产的超高速鉴频鉴相器，可处理高达200MHZ信号，既具备模拟混频器的相位稳定性，也具有传统鉴频鉴相器内的锁定速度。
它的一个主要特点是无需预分频就可对中频输入进行鉴相或鉴频，不会出现常规锁相环（PLL）中常见的相位不确定现象。
下图是一例用AD9901设计的高精度的相位测量仪原理图，其中波形变换是将各自的正弦信号分别整形为同频率、同相位的方波，AD990l将两路方波的相位差转换为不同占空比的方波，方波的占空比与相位差成比例。
AD9901的输出信号经过低通滤波后将不同占空比的信号转换为对应不同的直流信号，实现了将相位差转换为对应的直流信号，这个直流信号可以通过ADC转换器来测量，其结果是相位差被转换为数字量然后显示。
4.2数字相位测量仪
传统的采用模拟器件测量信号幅度和相位的方法，中心频率可以很高，但受噪声的影响较大，测量精度受到限制。
随着电子技术以及微机技术的发展，具有高精度测量分辨率、高度智能化、直观化、数字化等特点的数字式相位测量仪在各领域中得到了广泛的应用。
4.2.1单片机直接检测
用单片机直接对两被测信号进行检测，先计算出两被测交流信号的频率大小，再计算出两者间的相位角度差值，然后通过数码管显示，就可以测量出两交流信号的频率及相位，还可以判断出两信号之间的相位关系，如超前、滞后、同相、反相等。
这样不但能大大简化电路设计，而且还可以通过编写控制程序实现智能化检测。
以AT89C52单片机为例，将输入信号经放大整形后，得到的方波信号送到AT89C52的外部中断0和外部中断1引脚，运用外部中断0和l、定时器0和l来进行检测。
主要工作在于对单片机的编程控制，程序流程图如下：
用这种方式实现的测量仪充分利用单片机硬件资源丰富、处理速度快，以及软件编程灵活控制的优点，电路简单，实现容易，但测量精度和频率范围受到单片机的限制，抗干扰能力也弱。
4.2.2单片机结合CPLD
以单片机为控制核心，结合可编程逻辑控制芯片CPLD两者共同构成整个系统的测控主体。
CPLD具有集成度高、I／O资源丰富、稳定可靠、可现场在线编程等优点，而单片机具有良好的人机接口和运算控制功能，将单片机控制技术和EDA应用技术结合起来，不仅简化了硬件结构，操作简单，可靠性大大提高，目前这种方式的测量系统在低频测相领域中得到了广泛的应用。
其中CPLD主要负责采集两个同频待测信号，并将相位差映射为单片机能处理的数据，单片机读取到CPLD的输出后计算相位差并将结果输出显示。
图4基于单片机和CPLD的相位测量仪系统结构图
4.2.3数字信号处理器DSP
上述的基于单片机的数字相位测量仪主要是采用脉冲计数法，即将两路同频信号过零点时间差转换为相位差来测量。
由于计数脉冲频率限制，该方法适合用于测量低频信号。
基于DSP的数字式中频幅相检测仪利用了DSP运算速度快的特点，测量准确，分辨率高。
以下为一例基于TI公司高性能16位定点数字信号处理器TMS320VC5416的中频幅相检测系统。
系统分为中频放大模块，数据采集模块，数据存储模块，数据处理模块（DSP）以及通信模块。
输入信号首先经中频放大，然后通过采集模块转换成数字信号，转换结果存入存储模块中。
数据处理模块读取存储模块中保存的数据，进行FFT处理，得到信号的幅度和相位信息，然后把此信息经通信模块发往主机。
基于TMS320VC5416中频幅相检测仪系统框图
4.2.4现场可编程门阵列FPGA
以FPGA作为数据处理及控制核心，在内通过VHDL语言编写实现相位测量电路，能极大的简化外围逻辑电路；充分利用FPGA对数据的高速处理能力，使得系统设计高效、可靠。
以下是一例基于ALTERA公司EPlKl00QC208-3实现的相位测量仪，由移相网络，信号处理电路，数据采集电路，数据运算电路以及LED数码管显示电路组成。
首先输入一路正弦信号，经过移相网络后得到两路同频不同相的正弦信号，在经过信号处理电路将移相网络的两路输出信号处理为两路同频不同相的方波，将定义的信号超前端和信号滞后端两路信号送入EPlKl00QC208-3内的数据采集以及数据运算模块进行计算，将结果送入LED数码管显示电路显示出经过移相网络后的两路同频信号的相位差。
系统框图如下所示：
4.2.5虚拟仪器
传统的测量仪器功能较单一，多功能虚拟仪器是现代仪器技术的发展方向。
以LabVIEW为例，利用LabVIEW并结合数据采集系统设计的多功能相位测量仪具有以测量正弦波、三角波、方波和锯齿波多种波形的相位差的基本功能，还具有测量信号频率，显示信号波形、幅频和相频谱图，产生标准信号等功能，体现了虚拟仪器高集成度、一机多用的特点。
具体的仪器结构可由DAQ数据采集系统（DataAcquisition）、计算机系统、系统管理、I/0驱动程序、LabVIEW应用软件、用户测量程序等部分构成。
硬件系统结构示意图如下所示：
LabVIEW实现相位测量仪方案流程图
DAQ数据采集通道的数据输入，使用FFT函数即FFTSpectrum（Mag—Phase）．vi进行傅里叶变换，将信号由时域变换到频域，得到该信号的幅度谱和相位谱。
通过对FFTSpectrum（Mag—Phase）函数的view参数设置，使输出的信号的相位单位为度。
从输出的簇中提取数组，对数组进行运算，就可得到两同频率信号的相位差。
另外还可以直接用LabVIEW编程直接实现函数信号发生器，调用BasicFunctionGenemtor.vi基本函数发生器，产生幅度、频率和相位可调的正弦波、三角波、方波和锯齿波等所需信号。
5、方案确定：
综合上述各种相位测量仪的特点并结合本次设计的要求、目的和实际情况，本次设计将采用单片机为控制主体辅以数字逻辑电路来构成整个数字式相位测量系统。
测试方法使用过零点检测法，具体做法为：
将两路待测信号f1、f2通过整形电路，得到方波信号fx1和fx2；Tp为预置门控信号的门控时间，由单片机产生；T为精确门控信号的门控时间，T由Tp和待测信号fx1（或fx2）共同决定；fxor为fx1和fx2异或后所得信号；Nf是精确门控信号T、fxor和频标信号fo相与后所得信号的计数值；No是精确门控信号T和频标信号fo相与后所得信号的计数值。
fx1和fx2的相位差φ=（Nf/No）*180︒。
实现上述过程的测相差原理如下图所示：
对于判别f1和f2两路信号的相位先后关系，可以将两路信号分别接至D触发器的D和CLK端，当fx1超前fx2时Q端始终指示高电平，当fx1滞后fx2时Q端始终指示低电平，这样便可区分两路信号相位先后关系。
精度分析：
使用D触发器构成的同步电路可产生精确的门控信号，以保证测试时间为信号周期的整数倍，消除±1的误差；对于20kHZ的最大频率测量信号，要使其相位差测量达到≤1°的绝对误差，需要20k*360=7.2M的频标信号fo，而51单片机的计数频率在12M晶振下只能达到最高500kHZ的速度，因此需使用分频电路对计数脉冲序列进行分频再进行采样，本设计中将采用2个4位计数器级联进行16*16分频；为减小随机误差，每次测试都进行3次测量，将结果取平均值作为最后的测试结果输出。
系统整体框图如下：
软件程序设计：
上电后单片机执行初始化程序，设置计数器TO、T1工作方式并打开计数器，控制P2.2口产生一定时间的预置门控信号，脉冲采集完毕后关闭计数器，将计数值读出进行计算处理，为减小随机误差，每次测试都进行3次测量，然后取平均值作为最后的测试结果，测试结果通过锁存器至数码管显示输出。
6、芯片选型
单片机
使用AT89S51单片机作为整个系统的控制核心，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，具有如下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器（1000次可反复擦写），128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，可达到本次设计的需求。
过零比较器
选用LM311电压比较器。
LM311是一款高灵活性的电压比较器，能工作于5.0到30伏单个电源或±15伏分离电源，输入电压范围为-14.7伏至13.8伏，输出可驱动DTL、RTL、TTL或MOS逻辑，响应时间典型值为200ns,将输入管脚3接地即可实现输入信号的过零比较。
计数器
74LS161为可预置的4位二进制同步计数器，其典型时钟频率为32MHZ。
161的清除端是异步的，当清除端CLEAR为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。
将两片161级联即可实现脉冲信号的256分频。
电源
TLV1117-50是一款LDO电源芯片，输入电压范围为6.4～15V，输出电压固定在5V，输出电流最大可达800mA，这样可以得到对外提供最大的4W的功率，输出线性调整度很低，典型的为0.035%，电压的输出稳定度极高，负载调整度很低，只有典型的0.2%，对负载效应有极好的抑制作用，有最大的1.6A电流限制，并且电源抑制比很高，输出噪声电压仅为0.003%，相当于40dB左右，用这款电源芯片可以完全满足设计的需求。
鉴相电路
鉴相电路使用四路2输入异或门SN74LS86AN和四路2输入与门SN74LS08N，两者均为TTL电平工作方式，74LS86的输出高低电平转换时间最大为30ns，74LS08为20ns。
同步电路
同步电路使用SN74ALS74AN，这是一款具有清零和预设功能的双路上升沿D触发器，最大时钟频率可达25MHZ，通过它将预置门控信号与被测信号相比较可产生精确的门控信号。
7、软件仿真
使用PSPICE对整形电路进行仿真，效果如下图所示，输入信号为20kHZ正弦波。
使用PRETEUS对数字电路、单片机控制和数码管显示部分进行整体仿真。
由于软件的限制，以动态方式显示的数码管不能持续的显示数据，为方便观察以每0.5秒一位的扫描速度显示结果。
当f1和f2为500HZ，相位相差120度（f1超前），得到测试结果：
当f1和f2为20kHZ，相位相差150度（f1滞后），得到测试结果：
可见在理想的软件仿真环境下的测试结果相当准确。
8、绘制PCB版
使用AltiumDesigner进行原理图及PCB图的绘制。
分别如下：
原理图
PCB图（覆铜前）
所有元件列表
9、实体电路搭建及调试
9.1搭建电路板
由于打印机缩放比例问题，初次制作出的腐蚀版不能达到要求，最后决定使用万用电路板（面包板）来搭建电路。
按照原理图将各个芯片及器件焊接上电路板，最后成品如下：
9.2调试过程：
检测整形电路的输出波形，在测试频段20kHZ内时，效果相当理想。
按原方案在电路板上使用8M有源晶振构成时基电路，但波形失真较严重，多次调整后效果仍不理想，后改用8M无源晶振搭配非门代替，电路图及波形图如下：
首先测试0相位差信号，将两输入口接入同一路信号，测试结果如图：
测试信号为20kHZ时，首先比较原始信号波形：
整形后效果如下：
测试结果：
同样的信号，将两输入调换（Fx1与Fx2调换），得到测试结果：
测试频率为1k的信号:
测试结果：
同样的信号，将两输入调换（Fx1与Fx2调换），得到测试结果：
与上面同样的方法，测量频率为50HZ的信号：
频率降低精度反而下降，原因有待进一步分析。
10、总结
首先总结目前主要存在的问题：
（1）电路设计时忽略了对负电压芯片7660的负载能力估算，导致两片LM311供电时过载，输出电压有较明显下降，需采用两片7660或更换更大功率负电源芯片，目前测试中使用了外部的负电源供电；
（2）由于当前设备限制，无法从外部直接接入相位确定的输入信号，因此只能通过示波器的观察来粗略验证测试结果，并且从信号发生器产生的正弦波有相位漂移现象，更增加了验证准确率的难度。
较好的解决方法是再设计一个移相网络，对输入信号进行精确相移，以此验证测试结果；（3）本次设计方案没有加入前级信号输入调理模块及缺少保障对输入信号严格过零的机制，这是一个缺陷；（4）目前相位测试仪工作并不稳定，主要原因可能是使用面包板制作的电路较为粗糙且本人制版经验较少，希望以后能进一步改善。
通过本次相位测量的设计，从方案选定、芯片选型、仿真验证、PCB绘制到最后实体电路搭建调试，是本人第一次独自完成整块电路的制作，获益匪浅，更重要的是动手能力得到较大提高，许多实际问题是软件仿真及逻辑分析考虑不到的，解决方法也必须结合实际，例如有次整形电路输出波形失真严重，花了一整天查找电路故障也无法解决，最后才发现是信号发生器的原因。
从总体来说，本次设计还算成功，此方案的扩展性较强，如要提高测试精度和测试信号频率，只需相应提高时基电路的频率即可，软硬件改动较小。
最后要感谢老师的指导和许多同学的帮助。
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