文档介绍：低频数字式相位测量仪
摘要:本设计给出了以凌阳16位单片机Spce061A为核心的数字式相位测量的基本原理与实现方案。该系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三个模块构成,分别由两块单片机独立地实现控制与显示功能。采用DDS技术生成两路正弦波信号,并通过改变存储器中数据读取的起始地址来实现数字移相的功能,用Ф-T变换技术来实现相位差的测量,º,测得的频率与相位差值送入LCD进行显示,加入红外键盘以及语音播报的功能,使得系统具有智能化、人性化的特色。
关键词:相位测量频率测量数字移相 DDS 语音播报
引言:随着相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域,对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展,在低频范围内,相位测量在电力、机械等部门有着尤其重要的意义,对于低频相位的测量,用传统的模拟指针式仪表显然不能够满足所需的精度要求,随着电子技术以及微机技术的发展,数字式仪表因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。基于这些要求,我们设计并制作了基于Spce061A凌阳16位单片机为核心的低频数字式相位测量系统。
一方案论证与设计
1 相位测量方案
方案一:将被测的两路正弦波信号经比较器整形成方波信号,利用异或门电路进行鉴相处理,将得到的脉冲序列经过RC平滑滤波取出其直流分量,该直流电平的幅值与两路信号的相位差成正比,将此信号送入A/D转换器由单片机进行运算处理从而计算出相位差值。
方案二:采用脉冲填充计数法,将正弦波信号整成方波信号,其前后沿分别对应于正弦波的正相过零点与负相过零点,对两路方波信号进行异或操作之后输出脉冲序列的脉宽可以反映两列信号的相位差,以输入信号所整成的方波信号作为基频,经锁相环倍频得到的高频脉冲作为闸门电路的计数脉冲,由单片机对获取的计数值进行处理得到两路信号的相位差。
方案三:鉴相部分同方案二,将两路方波信号异或后与晶振的基准频率进行与操作,得到一系列的高频窄脉冲序列。通过两片计数器同时对该脉冲序列以及基准源脉冲序列进行计数,一路方波信号送入单片机外部中断口,作为控制信号控制两片计数器。得到的两路计数值送入单片机进行处理得相位差值。
对以上三种方案进行比较,方案一在低频段时,RC滤波电路的输出波动很大,难以达到要求的相位精度,而方案二在所测频率较高时,受锁相环工作频率等参数的影响会造成相位差测量的误差,极大地影响测量的精度,采用方案三由高精度的晶振产生稳定的基准频率,可以满足系统高精度、高稳定度的要求。
2 频率测量方案
方案一:用专用频率计模块来测量频率,如ICM7216芯片,其内部带放大整形电路,可以直接输入正弦信号,外部振荡部分选用一块高精度晶振和两个低温度系数电容构成10MHz振荡电路,,,1s,10s四种闸门时间,量程可以自动切换,待计数过程结束时显示测频结果。
方案二:利用可编程计数器来实现频率的测量,将被测信号转换为方波信号输入可编程计数器8254的某一路Clk端口,并将Gate端置为高电平,利用单片机产生的定时中断来控制8254的计数,最后计数值送入单片机处理并输出。
对以上方案进行比较,利用频率计模块来实现频率测量,ICM7216的外围硬件电路复杂,测频精度不够高;而采用方案二,用单片机控制计数器工作,硬件简单且频率测量精度高,这也是目前较为成熟的一种高精度测频方案。因此采用方案二来实现频率的测量
3 数字移相信号发生器方案
在数字移相信号发生器模块电路中,首先要生成相位测量仪所需的两路不同相位的正弦波信号,目前DDS已经是很完善的一种数字信号产生方案,所以在该部分,我们主要对产生正弦波信号的数字移相方案进行论证。
方案一:将正弦波量化为一张数据表分别存储于两片之中,通过单片机控制计数器来对存储器中的数据进行寻址,并经过两片D/A转换芯片循环的输出该数据表,当两路D/A转换芯片所获得的数据序列不同时,转换所得的两路正弦信号存在相位差,相位差值仅与数据地址的偏移量有关。
方案二:将参考正弦波转换为方波,以此信号为基准,延时后产生另一路同频率的方波,通过改变延时的长短来控制两个波形的相位差大小,最后通过波形变换电路将其还原为两路有相位差的正弦波输出。
综合以上两种方案,利用方案一,采用2K的存储芯片2817存储量化的正弦波数据,通过单片机可以较精确的控制移相的大小,实现1º相位差步进,而且硬件电路较为简单,而方案二虽然也可以精确控制移相,但是相对而言硬件电路更为复杂,调试较为麻烦,因此我们采用第一种方案来实现数字移相。
4 显示部分设计方案
方案一:采用八位共阴极LED数码管进行显示,利用单片机串行口的移位寄存器工作方式,外接MAX7219串行输