低频数字式相位测量仪制作报告

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1、低频数字式相位测量仪制作报告摘要本系统由低频数字相位频率测量仪，输入移相网络和数字式移相信号发生器组成。利用CPLD，单片机控制模块实现了高精度的频率相位测量。数字式移相信号发生器采用直接数字频率合成（DDFS）技术，输出频率范围宽，控制精度高。由于在DDFS系统中采用了双D/A输出形式，信号幅度采用数字调节方式，输出信号幅度稳定。移相网络的输入采用了自动增益控制（AGC），实现了高达48dB的宽范围输入，实现信号的自动稳幅输出。此外，本系统友好的人机界面，合理实用的功能扩展，使整个系统更利于实际使用。一．方案设计与论

2、证1.相位频率测量部分方案一：对输入的两路正弦信号分别进行过零比较，并对生成的两路方波信号进行异或运算，得到占空比与相位差成正比的脉冲信号。将该正弦送入单片机系统，对信号的脉宽进行测量，经计算得到输入的两路正弦信号的相位差。单片机系统直接对过零比较后的方波信号计数，得到输入信号频率。经单片机系统处理后，显示测量结果。此方案电路相对简单，容易实现，但是受到单片机工作速度的限制，精度不高。方案二：对输入的两路正弦信号分别进行过零比较，并对生成的两路方波信号进行异或运算，得到占空比与相位差成正比的脉冲信号。·141·由CPL

3、D对相位差脉冲信号和频率信号进行计数，将计数结果送入单片机，单片机经过简单计算后显示测量结果。此方案可以提高系统的测量精度，单片机要实现的功能相对简单，可以实现友好的人机界面。缺点是电路相对复杂，成本较高。系统框图详见图2-1。综合考虑，这里采用了方案二。1.移相网络部分方案一：直接采用题目中提供的参考电路。此电路实现简单，但对于不同幅度的输入信号，不能做到自动稳幅输出。对于小信号输入，无法满足题目输出峰-峰值0.3～5V的要求，除非采用可变增益放大器，在没有单片机控制的情况下，显然带来诸多不便。方案二：以题目中提供的

4、参考电路为基础，在信号输入前端加入自动增益控制电路（AGC），以适应各种幅度的信号输入。对于不同输入频率下，阻容网络的切换，采用CD4052模拟开关，避免了机械开关的接触不良等问题。并且考虑到实际情况，增加一个自定义移相频率的模式。输出采用运放跟随，增强驱动能力。虽然此电路比方案一复杂，但功能比较完善，适合实际使用。在这里，采用方案二。该方案系统框图详见图2-2。2.数字移相信号部分方案一：参考信号发生采用单片压控函数发生器。将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将

5、方波信号还原成正弦波信号，以延时的长短来决定两信号间的相位值。这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。ICL8038可方便的产生频率可变的正弦波以及实现数控频率调整，但是其频率稳定度低，步长控制难以达到理想效果。延时时间可以利用高速晶振来精确获得，在20KHz时，只需要7.2M的晶振即可以达到题目要求的1°步进值。此方案硬件电路比较复杂。方案二：采用DDFS数字频率合成技术。通过CPLD和单片机相结合的方式实现对频率的控制。两套DDFS发生器通过预置双口RAM起始地址来实现0～360°·141·相位差。通

6、过双D/A形式实现数字调节输出峰-峰值。D/A输出滤波采用开关电容滤波器，其中心滤波频率可由电路外加时钟控制。在单片机的控制下，频率相位步进，峰值调整，频率，相位差预置等都可以很容易的实现。整个系统在纯数字下实现了设计的各项要求，各个受控量可以很容易的实现数字控制。原理框图详见图2-3。综上，采用第二种方案。该方案原理框图详见图2-3。一．系统原理框图经过对系统相位频率测量部分，输入移相网络和数字式移相信号部分的设计比较，在满足系统指标的基础上，力求方案达到可实施性强，功能完善，精度高的要求。1.相位频率测量原理框图图

7、2-12.相移网络原理框图图2-2·141·3．数字移相信号发生器原理框图图2-3一．主要电路设计与计算1.单片机小系统（电路图详见附录）系统板的设计以8051单片机为核心辅以RAM、ROM构成。·141·为了使系统更加灵活，在系统板上集成了一块可编程逻辑器件EPM7128。该器件可用来扩展I/O口和分配各个外围器件的地址空间，并且可以方便实现各种逻辑，来满足外围器件的各种时序要求。由于其速度较高，可以完成一些高速的数据采集等工作。单片机系统是整个系统的核心，它完成人机界面、系统控制、数据分析、处理、变换，是协调整机工

8、作的控制器。CPLD完成采集控制逻辑及显示控制逻辑。由单片机控制CPLD测频和测相位，处理接收的数据，显示输出。为了保证系统的稳定可靠，系统板上加入了X5045看门狗芯片。该芯片内部集成了256Byte的FLASH-ROM，非常适合那些要求掉电期间保护少量数据的系统。考虑到键盘应用的灵活性，键盘接口没有采用HD7279这类专用芯片