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教师：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取得滑腻的正弦波；然后利用分两路信号输出，一路通过比较器取得方波信号，另一路信号先通过带通滤波网络后取得移相的正弦波,再通过比较器取得方波信号，两路方波信号通过异或门取得一个方波信号，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仍是滞后关系。最后通过单片机的AD搜集异或门芯片的输出端，通过计算后求出相位差。关键词：DDS；异或门；D触发

2、器；相位差一、方案论证与对照1.正弦信号产生方案选择方案1：采纳专用DDS芯片。优势是硬件电路简单，无需对输出信号进行二次处置。缺点是价钱比较昂贵。方案2：采纳单片机模拟DDS原理输出正弦信号。优势是本钱较低，只需将正弦波形表存于单片机FLASH中，然后利用DA依照设定的方式输出正弦波形表中的数据，然后经太低通滤波后就能够够取得滑腻的正弦波。缺点是需要对滤波器精心设计，不然取得的波形将会失真。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取得常量Umcos((bl-(b2)和以2w为角频率的余弦信

3、号Umcos(2wt+4)1+4)2),其中Um=。通太低通滤波器滤除交流信号，即能够取得只包括有Umcos(d)l-巾2)分量的直流分量。在通过对两路正弦信号进行整流和滤波取得Ulm、U2m,就能够够计算出相位差的余弦，对其求反余弦即能够取得相位差。该方案在整流和AD采样将会引入必然的误差，而且原理复杂。方案2：相位差-时刻转换法，将相位差的测量转换为测量两个正弦波形对应点的时刻距离，通过过零比较转换为方波，测量方波上升沿的时刻差，达到测量相位差的目的。该方案的优势是原理比较简单，测量精度高。缺点是过零比较时容易受到干扰信号的阻碍而产生毛刺。

4、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。优势是只需一个DA用于输出信号，然后利用一个10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别离输出Y方向的信号和X方向的锯齿波，从而能够在示波器上显示稳固的波形。优势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，经太低通滤波后取得滑腻的正弦波，然后信号将分两路进行处置。其中一路直接经比较器取得方波；另一路进入被测网络，然后进入

5、运算放大和电压比较电路取得方波信号。然后将取得的两路方波信号一路通过异或门取得表示相移量的方波；另一路通过D触发器取得表示相位超前或滞后的电平。最后通过单片机的AD搜集。对相频特性曲线的显示那么通过XY方式在示波器上显示。图1二、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，就能够够取得包络为正弦的阶梯波，然后经太低通滤波器滤除高频分量从而能够取得滑腻的正弦波。为了保证输出精度，规定每一个周期最少输出10个点。设定点与点之间输出时刻距离为50uS。因此，在频率为2

6、KHz时每一个周期输出10个点；频率为100HZ时，每一个周期输出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能够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二2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STEF二200时，输出10个点，频率为2KHZ。由此取得的正弦信号的频率范围为10HZ到2KHZ,完全知足题目要求，而且频率步进能够达到10HZ,知足发挥部份第一

7、条指标。低通滤波器的设计十分重要，它决定了可否取得滑腻且不失真正弦波。DA输出的波形中除包括有所需的频率为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。其中阻碍最大的是镜频干扰，因此必需将其滤除,因此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，因此需要通过隔直电路除去才能取得标准的正弦信号，隔直电路如图3所示。图2图31.鉴相电路分析第一将输入输出信号别离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，掏出直流成份，取得被测网络相移信号，送A/D进行数据搜集。

8、原理框图如图4所示：图4本系统鉴相器利用CD4030BE异或门数字芯片鉴相。可是它只能给出相移的大小信息，而无法判定超前与滞后，因此咱们另加一个相位极