簡易相頻特性測試儀

1、相頻特性測試儀參賽隊員：陳麗鳳劉科劉水源指導教師：王建波摘要：本系統以STM32單片機為核心，利用單片機的DA模擬DDS原理產生正弦信號，經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輸出，一路通過比較器取得方波信號，另一路信號先通過帶通濾波網絡后取得移相的正弦波,再通過比較器取得方波信號，兩路方波信號通過異或門取得一個方波信號，方波信號的正頻寬即可代表相移度數；同時這兩路信號也進入D觸發(fā)器的輸入端，通過輸出端判定相位超前仍是滯后關系。最后通過單片機的AD搜集異或門芯片的輸出端，通過計算后求出相位差。關鍵詞：DDS；異或門；D觸發(fā)器；相位差一、方案論證與對照1 .正弦信號產生方案

2、選擇方案1：采納專用DDS芯片。優(yōu)勢是硬件電路簡單，無需對輸出信號進行二次處置。缺點是價錢比較昂貴。方案2：采納單片機模擬DDS原理輸出正弦信號。優(yōu)勢是本錢較低，只需將正弦波形表存于單片機FLASH中，然后利用DA依照設定的方式輸出正弦波形表中的數據，然后經太低通濾波后就能夠夠取得滑膩的正弦波。缺點是需要對濾波器精心設計，不然取得的波形將會失真。最終本作品選擇了該方案。2 .鑒相方案選擇方案1：雙邊帶調制法，通過模擬乘法器實現雙邊帶調制從而取得常量Umcos(bl-(b2)和以2w為角頻率的余弦信號Umcos(2wt+4)1+4)2),其中Um=。通太低通濾波器濾除交流信號，即能夠取得只包括有

3、Umcos(d)l-巾2)分量的直流分量。在通過對兩路正弦信號進行整流和濾波取得Ulm、U2m,就能夠夠計算出相位差的余弦，對其求反余弦即能夠取得相位差。該方案在整流和AD采樣將會引入必然的誤差，而且原理復雜。方案2：相位差-時刻轉換法，將相位差的測量轉換為測量兩個正弦波形對應點的時刻距離，通過過零比較轉換為方波，測量方波上升沿的時刻差，達到測量相位差的目的。該方案的優(yōu)勢是原理比較簡單，測量精度高。缺點是過零比較時容易受到干擾信號的阻礙而產生毛刺。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)勢是只需一個DA用于輸出信號，然后利用一個10口產生觸發(fā)信號。缺點是實現信號與觸發(fā)

4、信號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)勢是實現方式比較簡單，對信號同步要求較低。缺點是需要占用兩路DA。最終本作品選擇該方案。系統整體框圖如圖1所示，利用單片機DA模擬DDS原理產生階梯狀正弦信號，經太低通濾波后取得滑膩的正弦波，然后信號將分兩路進行處置。其中一路直接經比較器取得方波；另一路進入被測網絡，然后進入運算放大和電壓比較電路取得方波信號。然后將取得的兩路方波信號一路通過異或門取得表示相移量的方波；另一路通過D觸發(fā)器取得表示相位超前或滯后的電平。最后通過單片機的AD搜集。對相頻特性曲線的顯示那么通

5、過XY方式在示波器上顯示。圖1二、理論分析與參數計算、電路設計1 .正弦信號產生電路分析由DDS原理可知，將正弦波數據表存于單片機中，然后利用單片機的DA將其輸出，就能夠夠取得包絡為正弦的階梯波，然后經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)定每一個周期最少輸出10個點。設定點與點之間輸出時刻距離為50uS。因此，在頻率為2KHz時每一個周期輸出10個點；頻率為100HZ時，每一個周期輸出2000個點。將含有2000個點的正弦波形表存于單片機中，通過改變取點步進從而能夠達到改變正弦波輸出頻率的目的。經計算，當取點步進STEP=1時，輸出2000個點，輸出頻率為10

6、HZ；當取點步進STEP二2時，輸出1000個點，頻率為20HZ；取點步進STEP=10時，輸出200個點，頻率為100HZ；取點步進STEF二200時，輸出10個點，頻率為2KHZ。由此取得的正弦信號的頻率范圍為10HZ到2KHZ,完全知足題目要求，而且頻率步進能夠達到10HZ,知足發(fā)揮部份第一條指標。低通濾波器的設計十分重要，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，還含有存在于調制信號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計為20KHZ。濾波器電路如圖2所示。由于DA輸出的正弦信號含有直流

7、分量，因此需要通過隔直電路除去才能取得標準的正弦信號，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別離通過電壓比較器整形為方波，然后送鑒相器鑒相，經低通濾除其中的交流成份，掏出直流成份，取得被測網絡相移信號，送A/D進行數據搜集。原理框圖如圖4所示：圖4本系統鑒相器利用CD4030BE異或門數字芯片鑒相?？墒撬荒芙o出相移的大小信息，而無法判定超前與滯后，因此咱們另加一個相位極性判別電路。該電路如圖5所示：圖5將整形后的被測網絡輸入信號/加到D觸發(fā)器CP端，將整形后的被測網絡輸出信號況1加到觸發(fā)器的D端，如下圖，假設/超前邛，那么對應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，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 .軟件分析本系統軟件包括正弦波輸出、相位差測量、相頻特性曲線顯示、按鍵輸入檢測、點頻輸出等程序模塊。系統程序流程圖如下：點頻輸出相位差測量三、測試與數據分析1 .測試儀器型模擬示波器型函數信號發(fā)生器/計數器2 .測試方式與測試結果正弦信號頻率測試圖6如圖6,將單片機DA輸出的正弦信號經低通濾波器后直接接入計數器的信號輸入端，即能夠讀出

9、信號的頻率；測試結果如下：理論頻率(Hz)10050010002000500010000實際頻率(Hz)10050010012003500910020測試結論：在頻率10K的時候誤差為20Hz,超過擴展指標要求的頻率誤差低于10Hzo可是在100Hz到5KHz的時候最大誤差為9Hz,達到了指標要求。相差頻率測試圖7如圖7,連接好測試電路后，測出不同頻率下兩信號的相位差，同時讀出單片機顯示的結果并記錄下來。測試結果如以下圖：信號頻率(Hz)10050010002000500010000實際相位差+130+80+30+7-132-178檢測相位差+127+70+31+10-130-170測試結論：相位差誤差小于10,達到