用单片机低频数字式相位测量仪3.doc

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1、低频数字式相位测量仪c65作者:吕锦柏刘勇冯科(山东理工大学)赛前及文稿整理辅导教师:姜吉顺卢恒炜摘要该数字式相位测量仪以单片机(89c52)为核心,通过高速计数器CD4040为计数器计算脉冲个数从,而达到计算相位的要求,通过8279驱动数码管显示正弦波的频率，不采用一般的模拟的振动器产生,而是采用单片机产生,从而实现了产生到显示的数字化.具有产生的频率精确,稳定的特点.相移部分采用一般的RC移相电路,节省了成本。一方案论证与比较:1常见正弦信号的测量方法:方案一：采用模拟分离元件如二极管，三极管等非线性元件，实现频率的测量，检相的功能，

2、使用起来方便，价格便宜，但采用分离元件由于分散性太大，不便于集成及数字化，而且测量误差大。方案二：采用集成的检相器，检频器实现频率及相位的测量。这种方法的实现框图如下：相位及频率显检相器正弦波检频器这种方法虽然可实现比较精确的测量，但由于模拟信号易受外界的干扰，不易调节，无法实现智能化，数字化的缺点，一般在要求较低的情况下使用。方案三：此方案采用高速信号发生器产生20MHz的高频信号，其主要特点是采用CD4040高频计数器结合单片机，利用计数脉冲实现测量相位与频率的目标。这种方法克服了模拟电路的缺点，实现了数字化与集成化。本设计采用了这种

3、方法。这种方案的组成框图：复位单片机系统移相计时电路单片机接口电路过零比较过零比较控制电路键盘显示接口显示键盘二系统总体设计按照题目要求，我们设计的相位测量系统包括三部分：正弦波产生系统（包括频率调整电路），移相电路和相位显视系统，其总体框图如下：相位测量及显示电路RC移相电路正弦波产生（频率调整）三各部分硬件电路设计及参数计算1、正弦波产生电路（一）方案一：利用8038芯片或MAX038可以实现压控的函数发生器通过改变少量的外围元件，可实现正弦波，方波，三角波，并可实现频率调节，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使使用单片函数发生器

4、，参数也与外部元件有关，外接的电阻，电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度差，精度低，抗干扰能力差，调节困难，成本也高。而且灵活性差，不能实现智能化。实现步进更困难（二）方案二：利用单片机89c52芯片，发送脉冲信号，在一定频率范围内，再经过低通滤波，可以实现正弦信号。这种方法可以实现频律的步进与预置，实现数字智能化。它的原理框图：高速可编程计数器12964存储器89c52DA转换器计数器2CP脉冲这种方法的缺点是产生的波的频率较低，难以达到高频的要求。题目要求是：20HZ—20KHZ的正弦波，若对每个周期的信号取样64个点。则要求的C

5、P脉冲的频率：1280HZ—1280KHZ可以实现。通过可编程计数器的计数初值的预置，调节计数器2的时序脉冲，设计中由于采样64个存储数据，所以计数器2为64进制计数器，即通过高速计数器送出64个脉冲后，实现一个周期的正弦波输出，这样计数器2处于不断的循环寻址中，从而存储器输出连续不断单位周期内64个采样正弦波数值，通过DA转换取得相应于正弦波形的电压，再通过电容滤波就可得到正弦波。由于全过程采用了数字化，容易实现高精度的步进控制，而且通过对计数器2起始计数时间的控制（如在计数器2前再加一计数器，使该计数器达到某一数值时计数器2开始计时寻

6、址），还可实现数字化的相移。由于须采取两套相同的系统，本装置中没有采用。2移相电路：根据题目的要求，要实现相移在-45度---+45度的调节，而提高部分要求移相在0—359度之间，且可实现步进1度要求。采用高精度的延时电路或移相电路，虽可实现数控和步进，但由于成本高，调节较困难，不易实现，我们采用了简单的RC移相电路，比较容易的实现了相移的连续调节。节省了制作成本，且达到了题目的基本要求。此电路的基本原理：图一图二其中图一是无源RC滞后网络，其传递函数为：h(jw)=1/(1+jwrc),相移角=arctan2*3。14*r*c,图二为无

7、源RC超前网络。其传递函数为：h(jw)=1/(1-j1/wrc),相移角=arctan(1/(2*3.14*r*c).它们的相频特征曲线为角度频率45º90º本设计使用的电路图：ewb的仿真波形：按照相移与F,R,C的关系式，在滞后电路中取相移角为：45º，有tanA=2*3.14*r*c*f=1,当f=20hz时，r*c=0.008,当f=20khz时，r*c=0.000008,从而取r=4.7千欧c=1微法。在超前网络中，取相移为45º，有tanB=1/(2*3.14*r*c*f).当f=20hz时，r*c=0.008,当f=20k

8、hz时r*c=0.000008,从而取r=4.7kΩ,c=1μF这样，相移可达+60º--60º3’相位测量及显示电路：本部分电路不采用相敏整流法，避免了模拟电路得不好控制，不易数字化的缺点，