文档介绍：低频相位测量仪硬件电路设计
摘要
本设计提出了一种基于AT89C51单片机开发的低频数字相位测量仪的方案。主要包括相位测量模块、单片机最小系统、显示模块、电源模块的设计。可以对低频率范围的信号进行相位等参数的精确测量,测相绝对误差不大于1°。相位测量模块采用对输入的两路信号(同频率、不同相位)通过比较器整形、鉴相器异或之后得到的相位差,输入到单片机的中断口进行数据采集处理;采用数码管显示被测信号的相位差。硬件结构简单,软件采用汇编语言实现,程序简单可读写性强、效率高。与传统的电路系统相比,其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。
关键词相位差单片机低频误差
课题研究内容
我们设计的数字式相位测量系统电路,主要是由MCU芯片和小规模的集成电路构成。
两路待测信号(同频率、不同相位的两路信号)通过整形电路,变成矩形波信号,再通过鉴相器,得到两路波形的正脉冲宽度,也就是所要测量的两路信号的相位差所对应的时间差。以上部分构成了相位测量系统的相位测量电路[3]。
将其送到MCU外部中断口,再通过MCU处理数据(数字滤波、计算、送数据、键盘处理等),最后得到我们所要的相位值,并将其通过数码管显示出来。
方案选择
设计方案论证
从功能角度来看,相位测量仪要完成信号相位差的测量。相位测量仪有两路输入信号,也是被测信号,他们是两个同频率的正弦信号,频率范围为20Hz~20KHz(正好是音频范围),幅度为UPP=1~5V(~5V),但两者幅度不一定相等。
相位和相位差的概念[4]:
令正弦信号为:
()
(最大值),且,A称为有效值;称为相位,称为初相位,称为角频率。Am、、称为正弦量的三要素。
只有两个同频率的(正弦)信号才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正弦信号为:
()
则相位差:
()
,相位差在数值上等于初相位之差,是一个角度
不妨令,其中是相位差对应的时间差,且令为信号周期,则有比例关系:
()
可以推导得到:
()
,相位差与一一对应,可以通过测量时间差及信号周期,计算得到相位差,这就是相位差的基本测量原理。
由于相位差的基本测量原理可知,相位差的测量本质上是时间差及信号周期的测量,也就是时间的测量,而时间的测量不可避免地要用到电子计数器。
时间的测量有多种方法,而设计题目关于相位测量仪的技术指标要求会影响到我们对方案的选择,MCU应用系统一般能较好的实现各种不同的测量及控制功能,往往还能满足一些设计要求比较高的技术指标,因此,我们在进行电子系统设计时,可用MCU实现系统功能,完成系统指标。
相位差测量方案选择
相位差测量的基本原理[5]主要有三种:对信号波形的变换和比较、对傅氏级数的运算及对三角函数的运算,其实现方法如下:
过零点检测法[6]:这是一种将相位测量变为时间测量的方法,其原理是将基准信号通过零的时刻与被测信号通过零的时刻进行比较,由二者之间的时间间隔,推算出两信号之间的相位差。这种方法的特点是电路简单,对启动采样电路要求不高,同时该方法还具有测量分辨率高、线性好、易数学化等优点。
倍乘法:任何一个周期函数都可以用傅氏级数表示,在这里运算器是一个乘法器,两个信号是频率相同的正弦数,相位差为一个角度
,运算结果再经过一个积分电路,得到直流电压:
()
电路的输出和被测信号相位差余弦成比例,因此其测量范围在45°以内,欲使测量范围扩展到360°,需要附加一些电路才能做到。这种方法由于应用了积分环节,可以滤掉信号波形中的高次谐波,抑制了谐波对测量准确度的影响。
矢量法:任何一个正弦函数都可以用矢量来表示,如两个正弦信号幅度相等、频率相同,运算器运用减法器则合成矢量的模:
()
这种方法用于测量小角度,灵敏度较好,可行度也较好;而在靠近180°附近灵敏度降低,读数困难也不准确。由于输出是一余弦或正弦函数,因此这种方法适用的频带范围是较宽的信号。
上述三种测量相位的方法,各有优缺点,从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看,过零点检测法比较好,它输出正比于相位差的直流电压和相位差的脉冲数,还易于实现数字化和自动化,现代的数字相位表多采用这种原理构成。
系统原理
原理框图
以单片机为核心的相位测量仪原理框图如图3-1所示:
图3-1 以MCU为核心的相位测量仪原理框图
两路待测信号经整形后变成了矩形信号A、B,且可以认为A和B是同频率、不同相位的矩形波。
相位差的测量
鉴相器就是异或门,在鉴相器的输入波形中,正脉冲宽度就是要测量的A和B相位差所对应的时间差,如图3-2所示(其中波形C为鉴相