簡(jiǎn)易相頻特性測(cè)試儀

1、相頻特性測(cè)試儀參賽隊(duì)員：陳麗鳳劉科劉水源指導(dǎo)教師：王建波摘要：本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，利用單片機(jī)的DA模擬DDS原理產(chǎn)生正弦信號(hào)，經(jīng)低通濾波器和隔直電容后取得滑膩的正弦波；然后利用分兩路信號(hào)輸出，一路通過(guò)比較器取得方波信號(hào)，另一路信號(hào)先通過(guò)帶通濾波網(wǎng)絡(luò)后取得移相的正弦波,再通過(guò)比較器取得方波信號(hào)，兩路方波信號(hào)通過(guò)異或門取得一個(gè)方波信號(hào)，方波信號(hào)的正頻寬即可代表相移度數(shù)；同時(shí)這兩路信號(hào)也進(jìn)入D觸發(fā)器的輸入端，通過(guò)輸出端判定相位超前仍是滯后關(guān)系。最后通過(guò)單片機(jī)的AD搜集異或門芯片的輸出端，通過(guò)計(jì)算后求出相位差。關(guān)鍵詞：DDS；異或門；D觸發(fā)器；相位差一、方案論證與對(duì)照1 .正弦信號(hào)產(chǎn)生方案

2、選擇方案1：采納專用DDS芯片。優(yōu)勢(shì)是硬件電路簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行二次處置。缺點(diǎn)是價(jià)錢比較昂貴。方案2：采納單片機(jī)模擬DDS原理輸出正弦信號(hào)。優(yōu)勢(shì)是本錢較低，只需將正弦波形表存于單片機(jī)FLASH中，然后利用DA依照設(shè)定的方式輸出正弦波形表中的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)太低通濾波后就能夠夠取得滑膩的正弦波。缺點(diǎn)是需要對(duì)濾波器精心設(shè)計(jì)，不然取得的波形將會(huì)失真。最終本作品選擇了該方案。2 .鑒相方案選擇方案1：雙邊帶調(diào)制法，通過(guò)模擬乘法器實(shí)現(xiàn)雙邊帶調(diào)制從而取得常量Umcos(bl-(b2)和以2w為角頻率的余弦信號(hào)Umcos(2wt+4)1+4)2),其中Um=。通太低通濾波器濾除交流信號(hào)，即能夠取得只包括有

3、Umcos(d)l-巾2)分量的直流分量。在通過(guò)對(duì)兩路正弦信號(hào)進(jìn)行整流和濾波取得Ulm、U2m,就能夠夠計(jì)算出相位差的余弦，對(duì)其求反余弦即能夠取得相位差。該方案在整流和AD采樣將會(huì)引入必然的誤差，而且原理復(fù)雜。方案2：相位差-時(shí)刻轉(zhuǎn)換法，將相位差的測(cè)量轉(zhuǎn)換為測(cè)量?jī)蓚€(gè)正弦波形對(duì)應(yīng)點(diǎn)的時(shí)刻距離，通過(guò)過(guò)零比較轉(zhuǎn)換為方波，測(cè)量方波上升沿的時(shí)刻差，達(dá)到測(cè)量相位差的目的。該方案的優(yōu)勢(shì)是原理比較簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高。缺點(diǎn)是過(guò)零比較時(shí)容易受到干擾信號(hào)的阻礙而產(chǎn)生毛刺。最終本作品選擇了此方案。3 .顯示方案選擇方案1：外部觸發(fā)方式。優(yōu)勢(shì)是只需一個(gè)DA用于輸出信號(hào)，然后利用一個(gè)10口產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)信號(hào)與觸發(fā)

4、信號(hào)之間的同步比較困難。方案2：XY方式。利用兩路DA別離輸出Y方向的信號(hào)和X方向的鋸齒波，從而能夠在示波器上顯示穩(wěn)固的波形。優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)方式比較簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)同步要求較低。缺點(diǎn)是需要占用兩路DA。最終本作品選擇該方案。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，利用單片機(jī)DA模擬DDS原理產(chǎn)生階梯狀正弦信號(hào)，經(jīng)太低通濾波后取得滑膩的正弦波，然后信號(hào)將分兩路進(jìn)行處置。其中一路直接經(jīng)比較器取得方波；另一路進(jìn)入被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入運(yùn)算放大和電壓比較電路取得方波信號(hào)。然后將取得的兩路方波信號(hào)一路通過(guò)異或門取得表示相移量的方波；另一路通過(guò)D觸發(fā)器取得表示相位超前或滯后的電平。最后通過(guò)單片機(jī)的AD搜集。對(duì)相頻特性曲線的顯示那么通

5、過(guò)XY方式在示波器上顯示。圖1二、理論分析與參數(shù)計(jì)算、電路設(shè)計(jì)1 .正弦信號(hào)產(chǎn)生電路分析由DDS原理可知，將正弦波數(shù)據(jù)表存于單片機(jī)中，然后利用單片機(jī)的DA將其輸出，就能夠夠取得包絡(luò)為正弦的階梯波，然后經(jīng)太低通濾波器濾除高頻分量從而能夠取得滑膩的正弦波。為了保證輸出精度，規(guī)定每一個(gè)周期最少輸出10個(gè)點(diǎn)。設(shè)定點(diǎn)與點(diǎn)之間輸出時(shí)刻距離為50uS。因此，在頻率為2KHz時(shí)每一個(gè)周期輸出10個(gè)點(diǎn)；頻率為100HZ時(shí)，每一個(gè)周期輸出2000個(gè)點(diǎn)。將含有2000個(gè)點(diǎn)的正弦波形表存于單片機(jī)中，通過(guò)改變?nèi)↑c(diǎn)步進(jìn)從而能夠達(dá)到改變正弦波輸出頻率的目的。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)取點(diǎn)步進(jìn)STEP=1時(shí)，輸出2000個(gè)點(diǎn)，輸出頻率為10

6、HZ；當(dāng)取點(diǎn)步進(jìn)STEP二2時(shí)，輸出1000個(gè)點(diǎn)，頻率為20HZ；取點(diǎn)步進(jìn)STEP=10時(shí)，輸出200個(gè)點(diǎn)，頻率為100HZ；取點(diǎn)步進(jìn)STEF二200時(shí)，輸出10個(gè)點(diǎn)，頻率為2KHZ。由此取得的正弦信號(hào)的頻率范圍為10HZ到2KHZ,完全知足題目要求，而且頻率步進(jìn)能夠達(dá)到10HZ,知足發(fā)揮部份第一條指標(biāo)。低通濾波器的設(shè)計(jì)十分重要，它決定了可否取得滑膩且不失真正弦波。DA輸出的波形中除包括有所需的頻率為f0的正弦波外，還含有存在于調(diào)制信號(hào)兩邊的各次諧波分量。其中阻礙最大的是鏡頻干擾，因此必需將其濾除,因此將低通濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)為20KHZ。濾波器電路如圖2所示。由于DA輸出的正弦信號(hào)含有直流

7、分量，因此需要通過(guò)隔直電路除去才能取得標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，隔直電路如圖3所示。圖2圖32 .鑒相電路分析第一將輸入輸出信號(hào)別離通過(guò)電壓比較器整形為方波，然后送鑒相器鑒相，經(jīng)低通濾除其中的交流成份，掏出直流成份，取得被測(cè)網(wǎng)絡(luò)相移信號(hào)，送A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集。原理框圖如圖4所示：圖4本系統(tǒng)鑒相器利用CD4030BE異或門數(shù)字芯片鑒相?？墒撬荒芙o出相移的大小信息，而無(wú)法判定超前與滯后，因此咱們另加一個(gè)相位極性判別電路。該電路如圖5所示：圖5將整形后的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸入信號(hào)/加到D觸發(fā)器CP端，將整形后的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)況1加到觸發(fā)器的D端，如下圖，假設(shè)/超前邛，那么對(duì)應(yīng)3上升沿處，牛1為1,那么D觸發(fā)器輸出為

8、1。反之，滯后兄，那么D觸發(fā)器輸出為0,將其輸出送往單片機(jī)，即可判定相移的超前與滯后。3 .相頻特性曲線的顯示采納XY方式在示波器上顯示相頻特性曲線。將換算后的相位差經(jīng)DA0輸出至液晶Y軸，將DA1輸出的用于掃描的鋸齒波送入X軸，即能夠在液晶上顯示穩(wěn)固的波形。4 .軟件分析本系統(tǒng)軟件包括正弦波輸出、相位差測(cè)量、相頻特性曲線顯示、按鍵輸入檢測(cè)、點(diǎn)頻輸出等程序模塊。系統(tǒng)程序流程圖如下：點(diǎn)頻輸出相位差測(cè)量三、測(cè)試與數(shù)據(jù)分析1 .測(cè)試儀器型模擬示波器型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器2 .測(cè)試方式與測(cè)試結(jié)果正弦信號(hào)頻率測(cè)試圖6如圖6,將單片機(jī)DA輸出的正弦信號(hào)經(jīng)低通濾波器后直接接入計(jì)數(shù)器的信號(hào)輸入端，即能夠讀出

9、信號(hào)的頻率；測(cè)試結(jié)果如下：理論頻率(Hz)10050010002000500010000實(shí)際頻率(Hz)10050010012003500910020測(cè)試結(jié)論：在頻率10K的時(shí)候誤差為20Hz,超過(guò)擴(kuò)展指標(biāo)要求的頻率誤差低于10Hzo可是在100Hz到5KHz的時(shí)候最大誤差為9Hz,達(dá)到了指標(biāo)要求。相差頻率測(cè)試圖7如圖7,連接好測(cè)試電路后，測(cè)出不同頻率下兩信號(hào)的相位差，同時(shí)讀出單片機(jī)顯示的結(jié)果并記錄下來(lái)。測(cè)試結(jié)果如以下圖：信號(hào)頻率(Hz)10050010002000500010000實(shí)際相位差+130+80+30+7-132-178檢測(cè)相位差+127+70+31+10-130-170測(cè)試結(jié)論：相位差誤差小于10,達(dá)到