简易相频特性测试仪

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1、相频特性测试仪参赛队员：陈丽凤刘科刘水源指导老师：王建波摘要：本系统以STM32单片机为核心，利用单片机的DA模拟DDS原理产生正弦信号，经低通滤波器和隔直电容后得到平滑的正弦波；然后利用分两路信号输出，一路经过比较器得到方波信号，另一路信号先经过带通滤波网络后得到移相的正弦波，再通过比较器得到方波信号，两路方波信号经过异或门得到一个方波信号，方波信号的正频宽即可代表相移度数；同时这两路信号也进入D触发器的输入端，通过输出端判定相位超前还是滞后关系。最后通过单片机的AD采集异或门芯片的输出端，经过计算后求出相位差。 关键词：DDS；异或门；

2、D触发器；相位差一、方案论证与对比1.正弦信号产生方案选择方案1：采用专用DDS芯片。优点是硬件电路简单，无需对输出信号进行二次处理。缺点是价格比较昂贵。 方案2：采用单片机模拟DDS原理输出正弦信号。优点是成本较低，只需将正弦波形表存于单片机FLASH中，然后利用DA按照设定的方式输出正弦波形表中的数据，然后经过低通滤波后就可以得到平滑的正弦波。缺点是需要对滤波器精心设计，否则得到的波形将会失真。最终本作品选择了该方案。2.鉴相方案选择方案1：双边带调制法，通过模拟乘法器实现双边带调制从而得到常量Umcos(ф1−ф2)和以2w为角频率的

3、余弦信号Umcos(2wt+ф1+ф2)，其中Um = 0.5U1mU2m。通过低通滤波器滤除交流信号，便可以得到只包含有Umcos(ф1−ф2)分量的直流分量。在通过对两路正弦信号进行整流和滤波得到U1m 、U2m，就可以计算出相位差的余弦，对其求反余弦便可以得到相位差。该方案在整流和AD采样将会引入一定的误差，并且原理复杂。方案2：相位差-时间转换法，将相位差的测量转换为测量两个正弦波形对应点的时间间隔，通过过零比较转换为方波，测量方波上升沿的时间差，达到测量相位差的目的。该方案的优点是原理比较简单，测量精度高。缺点是过零比较时容易受到

4、干扰信号的影响而产生毛刺。最终本作品选择了此方案。1.显示方案选择方案1：外部触发方式。优点是只需一个DA用于输出信号，然后利用一个IO口产生触发信号。缺点是实现信号与触发信号之间的同步比较困难。 方案2：XY方式。利用两路DA分别输出Y方向的信号和X方向的锯齿波，从而可以在示波器上显示稳定的波形。优点是实现方式比较简单，对信号同步要求较低。缺点是需要占用两路DA。最终本作品选择该方案。 系统整体框图如图1所示，利用单片机DA模拟DDS原理产生阶梯状正弦信号，经过低通滤波后得到平滑的正弦波，然后信号将分两路进行处理。其中一路直接经比较器得到

5、方波；另一路进入被测网络，然后进入运算放大和电压比较电路得到方波信号。然后将得到的两路方波信号一路经过异或门得到表示相移量的方波；另一路经过D触发器得到表示相位超前或者滞后的电平。最后通过单片机的AD采集。对相频特性曲线的显示则通过XY方式在示波器上显示。 单片机输出正弦波低通滤波器电压跟随器电压比较器被测网络电压比较器异或门D触发器STM32图1一、理论分析与参数计算、电路设计1.正弦信号产生电路分析由DDS原理可知，将正弦波数据表存于单片机中，然后利用单片机的DA将其输出，就可以得到包络为正弦的阶梯波，然后经过低通滤波器滤除高频分量从而

6、可以得到平滑的正弦波。为了保证输出精度，规定每个周期最少输出10个点。设定点与点之间输出时间间隔为50uS。因此，在频率为2KHZ时每个周期输出10个点；频率为100HZ时，每个周期输出2000个点。将含有2000个点的正弦波形表存于单片机中，通过改变取点步进从而可以达到改变正弦波输出频率的目的。经计算，当取点步进STEP=1时，输出2000个点,输出频率为10HZ；当取点步进STEP=2时，输出1000个点，频率为20HZ；……取点步进STEP=10时，输出200个点，频率为100HZ；……取点步进STEP=200时，输出10个点，频率为

7、2KHZ。由此得到的正弦信号的频率范围为10HZ到2KHZ，完全满足题目要求，而且频率步进可以达到10HZ，满足发挥部分第一条指标。低通滤波器的设计十分重要，它决定了能否得到平滑且不失真正弦波。DA输出的波形中除了包含有所需的频率为f0的正弦波外，还含有存在于调制信号两边的各次谐波分量。其中影响最大的是镜频干扰，因此必须将其滤除，所以将低通滤波器的截止频率设计为20KHZ。滤波器电路如图2所示。 由于DA输出的正弦信号含有直流分量，因而需要通过隔直电路除去才能得到标准的正弦信号，隔直电路如图3所示。图2图31.鉴相电路分析首先将输入输出信号

8、分别通过电压比较器整形为方波，然后送鉴相器鉴相，经低通滤除其中的交流成份，取出直流成份，得到被测网络相移信号，送A/D进行数据采集。原理框图如图4所示：图4本系统鉴相器利用CD4