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，使得测量分辨率精确到0.1o，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
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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，其转换开关具有0.01s，0.1s，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E2PROM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
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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串行输入共阴极显示驱动器，每片可驱动8个LED数码管。
方案二：采用点阵字符型LCD液晶显示，可以显示数字与阿拉伯字母等字符，随着半导体技术的发展，LCD的液晶显示越来越广泛的应用于各种显示场合。
比较这两种方案，数码管显示驱动简单，但显示信息量少，功耗大；利用液晶显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选用LCD来实现显示功能。
二 原理分析与硬件电路图
根据赛题要求的任务，该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个模块，由于三个模块相对独立，以下分别对其进行原理分析与电路设计。
1 相位差测量模块 （1）原理分析
输入两路同频率的正弦波信号，其波形表达式分别为：
v1?Vm1sin(?t??1) v2?Vm2sin?(t??2)
其中v1、v2为电压瞬时值，Vm1、Vm2为电压的幅值，?为角频率，?1、?2为初始相角，当两路信号的频率相同时，相角差?＝?1－?2是一个与时间无关的常数 将此两路正弦波信号经过放大整形成两路占空比为50%的正方波信号f1、f2，经过异或门输出一个脉冲序列A，与晶振产生的基准脉冲波B进行与操作得到调制后的波形C，在一定的时间范围内对B、C中脉冲的个数进行
NC360?计数得NC、Nb，则其相位差计算公式为?＝，采用多个周期计数×Nb2取平均值的方式以提高测相精度。系统框图如图2-1-2所示：
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（2）原理电路
① 前级放大整形电路：
两列正弦波信号经过一级电压跟随器以提高测量仪的输入阻抗，选用高精度、低漂移型运放TLE2074使输入阻抗达到兆欧数量级，由LM311构成的迟滞回环比较器可以有效的避免在过零点时信号的干扰和抖动所引起的电压跳变，最后通过一级单门限电压比较器输出两路TTL电平信号，经异或门得到方波的脉冲序列。该前级放大整形电路的基本原理图如下：
② 相位差测量电路
通过理论分析，基准频率越高，记得的窄脉冲个数越多，相位差的测量也越精确，但是受到8254极限工作频率的影响，最终选取8.000MHz的晶振，由单片机I/O口控制两片8254分别对两路脉冲进行计数，将8254内含的两路计数器进行级联以提高计数位数，对32位的计数结果进行浮点运算使得相位差测量的分辨率达到0.1o，其原理图如图2-1-4所示：
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③ 相位极性判别电路
在图2-1-4所示的相位测量电路中，只 能给出相位差的大小，无法判断波形的超前 或者滞后，因此将波形整形电路的两路输出 方波送入D触发器中进行相位极性判别，当U0超前U1时，Q端输出高电平，反之输出低电平，极性判别的原理图如右图2－1－5所示。
2 数字式移相信号发生器模块 （1）原理分析
要实现数字移相，首先要生成两路正弦波信号，在目前的波形生成方案中，最常用的就是数字式直接频率合成技术（DDS），DDS的工作原理是基于相位与幅度的对应关系，通过改变频率控制字来改变相位累加器的相位累加速度，然后在固定时钟的控制下取样，取样得到的相位值通过相幅转换得到的相位值所对应的幅度序列，通过数模转换以及低通滤波之后输出正弦波信号。基本框图如下：
相位增量 累D/A波形存滤 时钟 加 地址总线 转 正弦波输出 储器 波 器 换 图2-2-1 DDS工作原理
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