简易低频数字相位测量仪.doc

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1、安徽建筑工业学院计算机控制技术课程设计简易低频数字相位测量仪——基于飞思卡尔XS128芯片院系：机电学院设计人员：班级：08自动化二班学号：08210030指导老师：汪萍作者：童二宝第21页2021-8-13安徽建筑工业学院计算机控制技术课程设计一．课题目的(1)熟练掌握电子系统的设计方法(2)设计并实现一个简易的低频数字相位测量仪表二.设计内容将两路1KHz的正弦波信号分别送到两个过零比较器，使双极性的正弦波编程单极性的方波。若两路正弦波信号存在相位差，那么两路方波也必然存在相同的相位差值。将两路方波存在的相位差对应的时间间隔作为单片机的计数时间T1，即可得到两路正弦波的相位

2、差，相位差=T1/T*360度。T=1/f=0.0001S三.所用器材（1）飞思卡尔MC9S12XS128单片机（2）CodewarriorIDE软件（3）龙丘单片机芯片配套BDM下载器（4）OCMJ4X8C液晶LCD模块（5）5V电源模块若干（含电池）（6）导线若干四.参考资料（1）XS128单片机技术手册（2）OCMJ4X8C液晶说明书（3）Codewarrior软件基础使用说明作者：童二宝第21页2021-8-13安徽建筑工业学院计算机控制技术课程设计五．设计步骤1.方案论证方案一：将被测量输入信号通过模拟鉴相器鉴相，将模拟鉴相器的输出电压进行A/D转换，由单片机处理后显

3、示数据。单片机低通滤波/A/D转换鉴相器方案二：将被测量信号输入波形经比较器整形后，利用门电路鉴相，在通过RC电路积分后进行A/D转换。根据相位差与电平成正比的关系，由单片机经过查表或简单的计算处理后得到相位差值。方案三：鉴相部分与方案二相同。将整形出来的两路数字信号相与后，形成新的数字信号，用单片机测量出其波形宽度，经过简单的换算后，即可以得出要测量的相位差值。经过比较，方案一中被测信号的输出电压幅值变化比较大，难以满足鉴相器的输入要求。方案二中，积分电路输出波动会很大，相位精度不能保证。方案三的相位精度受频率影响小，容易控制，稳定性高，可以实现较高的精度，因此采用此方案。其

4、系统框图如下：过零比较器整形电路MC9S12XS128单片机OCMJ4X8CLCD显示U1U2AB2.基本原理两路1KHz的正弦波信号U1、U2经过过零比较器后变成单极性的方波信号A、B，若U1、U2存在相位差，则A、B也存在相位差，为了测得相位差的值，我们可以将A、B经过数字逻辑电路处理，将B信号取反后与A信号相与，则可得到相位脉波，通过测定相位脉波和A、B任意一脉波的长度，相比较则可得相角脉波。测定脉波长度采用计数器计数方式，当相位脉波上升沿（下降沿）到来时读此时计数器的值设为phase_last，等到下降沿（上升沿）到来时读此时的计数器值设为phase_now,将两者相减

5、即得相位脉波长度计数值。测A、B频率可同理得之，只是，A、B的频率需要两个同样的上升沿或下降沿，而相位脉波是两个相邻的触发沿。作者：童二宝第21页2021-8-13安徽建筑工业学院计算机控制技术课程设计假设去经过数字逻辑电路处理后的相位脉波（设为C），再去一路脉波A，通过单片机采集脉波长度计数值，经过数学处理后得到相应的相角度数和频率。具体如下：将C接单片机的T0口，通过T0口的输入捕捉功能（即脉波产生跳变时触发）和累加器功能（计数），当C的任一触发沿（上升沿或下降沿）到来时，读此时的累加器值，等到下一个触发沿到来时，读取第二次值，两者相减即可得计数数值。测频率的计数值同理得之

6、（注意必须是同一个相邻的上升沿或下降沿）。3.硬件电路设计（1）5V稳压电源电路采用LM29405V稳压芯片，配合电容滤波，从VCC和GND两端即可得到比较稳定的5V电源（2）正弦整流成方波电路作者：童二宝第21页2021-8-13安徽建筑工业学院计算机控制技术课程设计采用一个单门限电压比较器（如图3.4所示），当输入信号每通过一次零时触发器的输出就要产生一次突然的变化。当输入正弦波时，每过一次零，比较器的输出端将产生一次电压跳变，它的正负向幅度均受到供电电源的限制，因此输出电压波形是具有正负极性的方波。为了使电路的抗干扰能力得到提升，我们在单门限电压比较器的基础上引入了正反馈

7、网络。由于正反馈的作用，它的门限带电压随着输出电压U0的变化而改变，因此提高了抗干扰能力。(3)单片机及外围接口电路单片机供给经过lm2940稳压芯片后的5V电压，由7.2V的电池给LM2940提供电源。单片机上P1口接T0口，P7口接T1口，实现生成的PWM给输入捕捉和计数端口T。单片机的基本I/O口PORTB（8位口）接液晶的DB0～DB7口，液晶的VDD和PSW相连，VDD、LEDA分别接5V正极，VSS、LEDK接5V负极。总体电路完工。作者：童二宝第21页2021-8-13安徽建筑