9、2003年全国大学生电子设计竞赛一等奖低频数字式相位测量仪(C题).pdf

校园电子 2003年全国大学生电子设计竞赛一等奖 低频数字式相位测量仪(C题) 天津大学电子信息工程学院 姚 远 王丽婷 郭佳静 本设计用单片机以及CPLD实现了低频数字式相位测量仪 法比较好 它还易于实现数字化和自动化 又可以给出两种形 系统的设计 该系统分为相位检测装置 移相网络以及数字式 式的输出 输出正比于相位差的直流电压和相位差的脉冲数 移相信号发生器DDS三个模块 现代的数字相位表多采用这种原理构成 经过对三种方案的比 相位测试及显示模块由单片机和CPLD实现 为了测试系 较 为了便于数字化和集成化 本设计采用方案三的过零检测 统的性能 我们对频率从20Hz150kHz峰峰值在300mV 法 10V的不同相移的正弦信号进行多次测试 从测试结果可得出 2数字相位测量仪工作原理 过零检测法 从变换方式 此系统的精度在0.5以内相位分辨率为0.01频率范围从 来分 有将相位差变换成直流电压的 有将相位差变换成时间 16Hz150kHz绝对误差都不超出1 大大扩展了普通相位 的 后者又可以分为瞬时值相位法和平均值相位法 为达到较 系统的频率范围和精度范围 系统适应峰峰值为250mV10V 高的精度且便于数字集成 本设计采用将相位差变换为时间的 的信号 扩展了幅度范围 另外 它还可以测试不同波形的信 相位测量法 号 除正弦波外 还可以测试三角波 方波的相位差 并且和 通常测量两个频率相同的正弦信号之间相位差的方法 首 正弦波达到同样的精度 先是将输入的两个正弦信号经过过零比较器变换成方波 然后 DDS直接频率合成 技术 产生频率范围为20Hz20kHz 测量两个方波过零点的时间差 其时间差 与相位差 的关 的正弦波 频率精准步进20Hz相位步进1 且峰峰值可调 由于使用了4.096MHz的晶振 使频率步进为准确的20Hz我 系为 但当输入信号有失真时 则不可避免地要 们对该子系统进行了测试 最后 又用它校验相位测量仪 在 产生测量误差 为此采用测量两个方波脉冲中心时间差的方法 多个频点均得到精确的测量结果 则测量结果更为准确 其测量失真信号的波形如图1所示 设计方案的论证与选择 图中是失真后含有二次谐波的正弦波 是两个不失真正 弦波过零点的时间差 但t tf都不等于 而两个方波中心 1.相位测量子系统的实现原理的分析与选择 1相位差测量的基本原理 相位差测量的基本原理归结 时间差t和 相等 由图可得 由以上两式得 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 下面 就对上述三种实现方法 要准确 进行比较和论证 测量 可以采用以下的 方案一 矢量法 任何一正弦函数都可以用矢量来表示 测量原理 被测脉冲和 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 标准计时脉冲一起加 成矢量的模 这种方法用于测量小角度 灵敏度较 入与门 在t tf期间 与门打开 计数器对标 好 可行度也较好 而在靠近180附近灵敏度降低 读数困 准脉冲计数 其它期 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 间 与门关闭 由标准 用的频带范围是较宽的 脉冲的周期T0和计数 方案二 倍乘法 任何一周期函数都可以用傅氏级数表