基于锁相技术的高精度程控相移信号发生器的研制

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1、基于锁相技术的高精度程控相移信号发生器的研制第一章绪论1.1移相信号发生器简介移相技术广泛应用于工厂电子产品的品质分析检验、相位测量、相位表的检定、同步检测器的数据处理以及实验室和一些重要的科研机构。在交流功率、交流电能的测量及测量线路的研究中，移相器是交流试验装置中不可缺的重要组成部分，诸如电能表校验台、交流电工仪表校验台、电量变送器校验台、继电器校验台等。在对电能表进行不同功率因数下的误差试验时，需用移相器改变电路里电压和电流回路之间的相角；在对电力系统中用于方向电流保护的功率方向继电器和用于距离保护的方向阻抗继电器等进行试验和调整时，也要用到移相

2、器以提供相位可变化的电气量。两个同频信号之间的移相是电力行业继电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段。因此，移相技术有着广泛的实用价值。移相发生器的研究相对于其它仪器来说，起步比较晚，而基于微处理器的数字式移相信号发生器研究，更是近几年的事。目前市场上主要有模拟移相信号发生器和基于微处理器的数字式移相信号发生器两类。模拟移相信号发生器(如阻容移相、变压器移相、感应式移相)在移相的高频领域，具有很多的应用，如铁氧体微波移相器、模拟压控移相器等。变压器式移相器利用三相制电源中三相电压相位互差120°的原理，通过变压器将电源电压分组组合为圆内接正多边形，可

3、分段连续取得0°～360°-3-基于锁相技术的高精度程控相移信号发生器的研制范围内的任一相位。圆内接正多边形包括正六边形、正十二边形和正二十四边形等。它获得特殊角度的相位比变换接线的跨相式移相法更为简便。以裂相正十二边形、移相细调30°电气角宽为例，其移相时输出电压幅值的最大波动量约达35%，为了抑制它可采用增多裂相相数如裂相24相、裂相48相的方法，但移相变压器的绕制将更加不便。若采用在移相变压器外另加附件的方法，则有压降法(又称余弦补偿法)和电压抵消法两种形式。前者的补偿效果受使用容量变化影响，且将阻抗分成近似余弦变化，印制板不易制做，阻抗分段的接

4、点因间距很小，工作可靠性较差；后者须在移相变压器上加绕一组带抽头的丫绕组，这无疑将增加其绕制难度。显然，两者对改进已在使用的无补偿变压器式移相器的电压波动都不适用。阻容移相是用模拟电路通过ＲＣ移相器来实现，压控振荡器用以产生信号所需频率，通过ＲＣ移相器实现对通道Ⅰ和Ⅱ的相位调节，幅值调节电路改变两通道的幅值。因压控振荡器的振荡频率易漂移，简单的ＲＣ移相电路无法做到0～360°范围内的调节，且调节范围和调节细度不易量化，故仅适于正弦信号，多数情况下不采用。感应式移相的优点是能在0°～360°范围内连续移相且不断电，但其缺点明显：因有振动，相位不够稳定；噪

5、声大，对环境造成污染；其波形失真大，不能调整三相对称，且电压调整率也大；移相时电压波动大；体积大、笨重，使移动不便。模拟移相信号发生器有许多不足之处，如输出波形受输入波形的影响，移相角的调节操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等。-3-基于锁相技术的高精度程控相移信号发生器的研制近年来,数字移相信号源在产生标准、稳定的相位及相位测量等方面的应用日趋广泛。数字式可调移相器采用微处理器控制移相电路，移相角度取决于微处理器的移相控制信号。微处理器根据测量输出调整移相控制信号,从而实现相移量自动调整。基于微处理器的数字式移相信号发生器，有

6、的偏重于硬件，也有的偏重于软件，偏重硬件的精度较高，但制造及调试较复杂；偏重软件的结构简单，成本较低，但往往精度受影响。目前，移相电路大多采用硬件逻辑，通过它控制两组地址计数器的计数起点，使合成波形的过零点不同,以此达到移相的目的。当对移相细度要求较高时，采用这种方法有电路复杂、使用计数器和其它器件-3-基于锁相技术的高精度程控相移信号发生器的研制多、耗电功率大、噪声大、造价高、可靠性差等缺点。为了进一步提高移相信号源的性能指标，简化硬件电路，黑龙江省计量科学研究所的同志[2]提出了应用锁相技术、微程序设计技术及数/模转换技术等,设计一种逻辑存储移相信

7、号源。该数字移相信号源具有使用元件少、集成度高、性能好、结构简单和便于程控等优点。近年来，直接频率合成技术（DDS技术）也逐渐的应用于移相信号发生器，使移相信号发生器性能进一步提高。1.2频率合成技术频率合成技术在上世纪30年代开始提出[5]，它的发展已经有70年的历史。在这70年的历史中，大致可以分成三个发展阶段：直接式频率合成技术，锁相环频率合成技术以及直接数字频率合成技术。所谓直接式频率合成技术[7][8][9]，就是用倍频、分频和混频电路对一个或几个基准频率进行加、减、乘、除的运算，从而产生所需要的频率信号，并通过窄带滤波器选出。直接频率合成器

8、的频率范围宽，频率转换较快，可以达到微秒级，频率间隔较小（10-2HZ），工作稳定可靠；但寄生