低频数字式相位测量仪

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1、低频数字式相位测量仪摘要此系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分组成。为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障，本电路两块T89C52为核心控制器件分别控制相位测量、数字式移相信号发生,在数字式移相信号发生部分采用了锁相技术、CPLD等技术,使输出波形精度大大提高，并可对频率自动校验，提高频率稳定性。一、题目要求（一）任务数字显示相位测量A输入B输入图1相位测量仪数字显示数字式移相信号发生器A输出B输出图2数字式移相信号发生器设计并制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分

2、，示意图如下：图2移相网络（二）要求1、基本要求（1）设计并制作一个相位测量仪（参见图1）a.频率范围:20Hz～20ＫHz。b.相位测量仪的输入阻抗≥100KΩ。c.允许两路输入正弦信号峰—峰值可分别在1V～5V内变化。a.相位测量绝对误差≤2°b.具有频率测量及数字显示功能.c.相位差数字显示:相位读数为0°～359.9°，分辨率为0.1°。（2）参考图2制作一个移相网络a.输入信号频率:100Hz、1KHz、10ＫHz。b.连续相移范围：—45°～+45°。c.A¹、B¹输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3V～5V内变

3、化。2、发挥部分（1）设计并制作一个数字式移相信号发生器（图3），用以产生相位测量仪所需的输入正弦信号，要求：a.频率范围:20Hz～20ＫHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。b.A、B输出正弦信号峰—峰值可分别在0.3V～5V内变化。c.相位差范围0°～359°，相位差步进为1°，相位差可预置。d.数字显示预置的频率、相位差值。（2）在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输入正弦信号峰—峰值至0.3V～5V范围。（3）用数字移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位差值和不同幅度进行校验

4、。（4）其它。二、方案比较（一）基本要求1、低频数字式相位测量仪方案一：采用数字电路结合模拟振荡形成相位测量仪，功能不容易实现而且电路十分复杂，并且此方案的精度很难达到设计要求，因此本设计不采用。方案二：采用单片机系统来控制，输入信号经移相网络得到所要求的相位差的两路信号，送至过零比较器，此处是相位测量仪的关键，因为相位检测时，其基准的确定是十分困难的，在过零出如能取出一个信号作为基准为最好，这一个特殊点比其它点特点更鲜明、更易判断，也即更好控制，将检测到的信号预分频后送至单片机，检测出两路信号的时间差，从而反推出相位差，采

5、用单片机系统简单、易行，能很好的实现相位测量仪的功能。因此，我们采用这种方案。2、移相网络方案一：由晶体管组成的移相网络，对输入有较高要求，这里由于输入阻抗比较小，很难达到题目的要求，而且其移相的难度比较高，控制也不易。方案二：参考题目的图2，由运放与RC组成的移相网络，两个运放与RC网络分别移相0～-180º与-180º～-360º,经合成放大得到理想波形，由于运放的输入阻抗可达到兆欧对输入信号要求大幅度降低，经电位器调节输出之间的压差来获得所需相位，对于相位的控制也变得非常容易，经过论证，我们认为采用第二种方案更加简单、

6、易行。（二）数字式移相信号发生器方案一：完全采用单片机系统的来实现数字式移相信号发生器所需的功能，单片机承担繁重的工作，还将分出大量的时间进行运算，使得整体运行变慢，大量运算所带来的指令将误差变的很大，使得精度下降。方案二：采用单片机与CPLD合作的系统，此方案与上一方案相比，将大量的运算任务交给了CPLD，降低了单片机的负担，加快了单片机的响应速度，减小了系统带来的误差。经过论证，我们认为采用第二种方案更加简单、容易实现。三、设计与论证（一）基本要求1、低频数字式相位测量仪根据题目的要求我们设计出低频数字式相位测量仪的原理

7、框图，整个测量仪包含整形放大/限幅单元、分频电路与多路选择单元、单片机及其显示单元及各部分。整形放大/限幅分频电路多路选择单片机数字显示频率数字显示相位差时钟A整形放大/限幅分频电路多路选择B控制分频复位电路2-1···2-72-1···2-7INT1INT0低频数字式相位测量仪原理框图频率为20Hz～20ＫHz的A、B两路输入的正弦信号经过整形放大/限幅单元后整形为方波，分频电路与多路选择单元完成把方波分频为八级信号，通过多路选择器把信号输入单片机，单片机首先进行预测，判断出所需分频信号然后控制多路选择器使相应信号输入单片

8、机再进行A、B两路信号的相位差的计算，并通过显示部分显示频率与相位差（二）数字式移相信号发生器根据题目的要求我们设计出数字式移相信号发生器的原理框图，整个测量仪包含分频锁相单元、相位控制单元、波形发生与输出单元、单片机控制及其显示单元各部分。（数字式移相信号发生器的原理框图如下图）CPLD