全國電子設(shè)計大賽論文范文

1、低頻數(shù)字式相位測量儀摘要：本設(shè)計給出了以凌陽16位單片機(jī)SpceO61A為核心的數(shù)字式相位測量的 基本原理與實(shí)現(xiàn)方案。 該系統(tǒng)由相位測量儀、 數(shù)字式移相信號發(fā)生器和移相網(wǎng)絡(luò) 三個模塊構(gòu)成，分別由兩塊單片機(jī)獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)控制與顯示功能。采用 DDS 技術(shù) 生成兩路正弦波信號， 并通過改變存儲器中數(shù)據(jù)讀取的起始地址來實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相 的功能，用-T變換技術(shù)來實(shí)現(xiàn)相位差的測量，使得測量分辨率精確到0.1 0,測得的頻率與相位差值送入LCD進(jìn)行顯示，加入紅外鍵盤以及語音播報的功能， 使得系統(tǒng)具有智能化、人性化的特色。關(guān)鍵詞： 相位測量 頻率測量 數(shù)字移相 DDS 語音播報引言：隨著相位測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國防、

2、科研、生產(chǎn)等各個領(lǐng)域，對相位測量 的要求也逐步向高精度、高智能化方向發(fā)展，在低頻范圍內(nèi)，相位測量在電力、 機(jī)械等部門有著尤其重要的意義， 對于低頻相位的測量， 用傳統(tǒng)的模擬指針式儀 表顯然不能夠滿足所需的精度要求， 隨著電子技術(shù)以及微機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)字式 儀表因其高精度的測量分辨率以及高度的智能化、 直觀化的特點(diǎn)得到越來越廣泛 的應(yīng)用。基于這些要求，我們設(shè)計并制作了基于Sp ceO61A凌陽16位單片機(jī)為核心的低頻數(shù)字式相位測量系統(tǒng)。一 方案論證與設(shè)計1 相位測量方案方案一： 將被測的兩路正弦波信號經(jīng)比較器整形成方波信號， 利用異或門電 路進(jìn)行鑒相處理，將得到的脈沖序列經(jīng)過 RC 平滑濾波取

3、出其直流分量，該直流 電平的幅值與兩路信號的相位差成正比，將此信號送入 A/D 轉(zhuǎn)換器由單片機(jī)進(jìn) 行運(yùn)算處理從而計算出相位差值。方案二： 采用脈沖填充計數(shù)法，將正弦波信號整成方波信號，其前后沿分別 對應(yīng)于正弦波的正相過零點(diǎn)與負(fù)相過零點(diǎn)， 對兩路方波信號進(jìn)行異或操作之后輸 出脈沖序列的脈寬可以反映兩列信號的相位差， 以輸入信號所整成的方波信號作 為基頻， 經(jīng)鎖相環(huán)倍頻得到的高頻脈沖作為閘門電路的計數(shù)脈沖， 由單片機(jī)對獲 取的計數(shù)值進(jìn)行處理得到兩路信號的相位差。方案三： 鑒相部分同方案二， 將兩路方波信號異或后與晶振的基準(zhǔn)頻率進(jìn)行與操作，得到一系列的高頻窄脈沖序列。 通過兩片計數(shù)器同時對該脈沖序列

4、以及 基準(zhǔn)源脈沖序列進(jìn)行計數(shù)， 一路方波信號送入單片機(jī)外部中斷口， 作為控制信號 控制兩片計數(shù)器。得到的兩路計數(shù)值送入單片機(jī)進(jìn)行處理得相位差值。對以上三種方案進(jìn)行比較，方案一在低頻段時， RC 濾波電路的輸出波動很 大，難以達(dá)到要求的相位精度， 而方案二在所測頻率較高時， 受鎖相環(huán)工作頻率 等參數(shù)的影響會造成相位差測量的誤差， 極大地影響測量的精度， 采用方案三由 高精度的晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率，可以滿足系統(tǒng)高精度、高穩(wěn)定度的要求。2 頻率測量方案方案一：用專用頻率計模塊來測量頻率，如 ICM7216 芯片，其內(nèi)部帶放大 整形電路， 可以直接輸入正弦信號， 外部振蕩部分選用一塊高精度晶振和兩個

5、低 溫度系數(shù)電容構(gòu)成 10MHz 振蕩電路， 其轉(zhuǎn)換開關(guān)具有 0.01s，0.1s，1s，10s 四種 閘門時間，量程可以自動切換，待計數(shù)過程結(jié)束時顯示測頻結(jié)果。方案二： 利用可編程計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)頻率的測量， 將被測信號轉(zhuǎn)換為方波信號 輸入可編程計數(shù)器8254的某一路Clk端口，并將Gate端置為高電平，利用單片 機(jī)產(chǎn)生的定時中斷來控制 8254的計數(shù)，最后計數(shù)值送入單片機(jī)處理并輸出。對以上方案進(jìn)行比較，利用頻率計模塊來實(shí)現(xiàn)頻率測量， ICM7216 的外圍 硬件電路復(fù)雜，測頻精度不夠高；而采用方案二，用單片機(jī)控制計數(shù)器工作，硬 件簡單且頻率測量精度高， 這也是目前較為成熟的一種高精度測頻方案。

6、 因此采 用方案二來實(shí)現(xiàn)頻率的測量3 數(shù)字移相信號發(fā)生器方案在數(shù)字移相信號發(fā)生器模塊電路中， 首先要生成相位測量儀所需的兩路不同 相位的正弦波信號，目前 DDS 已經(jīng)是很完善的一種數(shù)字信號產(chǎn)生方案，所以在 該部分，我們主要對產(chǎn)生正弦波信號的數(shù)字移相方案進(jìn)行論證。方案一：將正弦波量化為一張數(shù)據(jù)表分別存儲于兩片E 2PROM之中，通過6轉(zhuǎn)換芯片循轉(zhuǎn)換所得單片機(jī)控制計數(shù)器來對存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址，并經(jīng)過兩片 D/A 環(huán)的輸出該數(shù)據(jù)表，當(dāng)兩路 D/A 轉(zhuǎn)換芯片所獲得的數(shù)據(jù)序列不同時， 的兩路正弦信號存在相位差，相位差值僅與數(shù)據(jù)地址的偏移量有關(guān)。方案二： 將參考正弦波轉(zhuǎn)換為方波，以此信號為基準(zhǔn)，延時后

7、產(chǎn)生另一路同 頻率的方波， 通過改變延時的長短來控制兩個波形的相位差大小， 最后通過波形 變換電路將其還原為兩路有相位差的正弦波輸出。綜合以上兩種方案，利用方案一，采用 2K 的存儲芯片 2817 存儲量化的正 弦波數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)可以較精確的控制移相的大小，實(shí)現(xiàn) 10相位差步進(jìn)，而 且硬件電路較為簡單， 而方案二雖然也可以精確控制移相， 但是相對而言硬件電 路更為復(fù)雜，調(diào)試較為麻煩，因此我們采用第一種方案來實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相。4 顯示部分設(shè)計方案方案一：采用八位共陰極 LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，利用單片機(jī)串行口的移位 寄存器工作方式，外接MAX7219串行輸入共陰極顯示驅(qū)動器，每片可驅(qū)動 8個 LED

8、數(shù)碼管。方案二：采用點(diǎn)陣字符型LCD液晶顯示，可以顯示數(shù)字與阿拉伯字母等字 符，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，LCD的液晶顯示越來越廣泛的應(yīng)用于各種顯示場 合。比較這兩種方案，數(shù)碼管顯示驅(qū)動簡單，但顯示信息量少，功耗大；利用液 晶顯示可以工作在低電壓、低功耗下，顯示界面友好、內(nèi)容豐富，綜合考慮，選 用LCD來實(shí)現(xiàn)顯示功能。原理分析與硬件電路圖根據(jù)賽題要求的任務(wù)，該低頻相位測量系統(tǒng)包括相位測量儀、數(shù)字式移相信 號發(fā)生器和移相網(wǎng)絡(luò)三個模塊，由于三個模塊相對獨(dú)立，以下分別對其進(jìn)行原理 分析與電路設(shè)計。1相位差測量模塊(1)原理分析輸入兩路同頻率的正弦波信號，其波形表達(dá)式分別為：w =Vm1Sin®

9、t +%)V2 =Vm2 si +®2)其中V1、V2為電壓瞬時值，Vm1、Vm2為電壓的幅值，為角頻率，、甲2為初始相角，當(dāng)兩路信號的頻率相同時，相角差 e = <Pi申2是一個與時間無關(guān)的常數(shù)將此兩路正弦波信號經(jīng)過放大整形成 兩路占空比為50%的正方波信號f1、 f2 ,經(jīng)過異或門輸出一個脈沖序列 A , 與晶振產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖波B進(jìn)行與操 作得到調(diào)制后的波形C,在一定的時 間范圍內(nèi)對B、C中脈沖的個數(shù)進(jìn)行flfsn衛(wèi)B UilC 111111,111111 1111圖2-1-1相位檢測波形圖計數(shù)得Nc、Nb，則其相位差計算公式為日=NcNb360°X360，采用多

10、個周期計數(shù)2取平均值的方式以提高測相精度。系統(tǒng)框圖如圖2-1-2所示:輸入信號1旗 大 整 形晶振4T變換輸入信號2計數(shù)器液晶S喬圖2-1-2相位測量模塊框圖(2)原理電路 前級放大整形電路：兩列正弦波信號經(jīng)過一級電壓跟隨器以提高測量儀的輸入阻抗，選用高精 度、低漂移型運(yùn)放TLE2074使輸入阻抗達(dá)到兆歐數(shù)量級，由LM311構(gòu)成的遲滯 回環(huán)比較器可以有效的避免在過零點(diǎn)時信號的干擾和抖動所引起的電壓跳變，最后通過一級單門限電壓比較器輸出兩路 TTL電平信號，經(jīng)異或門得到方波的脈 沖序列。該前級放大整形電路的基本原理圖如下：2-1-3波形變換電路相位差測量電路通過理論分析，基準(zhǔn)頻率越高，記得的窄脈

11、沖個數(shù)越多，相位差的測量也越 精確，但是受到8254極限工作頻率的影響，最終選取 8.000MHz的晶振，由單 片機(jī)I/O 口控制兩片8254分別對兩路脈沖進(jìn)行計數(shù)，將8254內(nèi)含的兩路計數(shù)器 進(jìn)行級聯(lián)以提高計數(shù)位數(shù)，對 32位的計數(shù)結(jié)果進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算使得相位差測量的 分辨率達(dá)到0.1 0,其原理圖如圖2-1-4所示：>CLMOOTD><XKIGATED>CLKOOttTOCL£IOATEOGATE*OUTlCUQ oyralaT73354cs留mg盤霧器的歸30、；OWTIACUaOWT3cs <?*TisaTOA# lOA ljtriA.lOA?lOA

12、l圖2-1-4相位測S電路相位極性判別電路在圖2-1-4所示的相位測量電路中，只 能給出相位差的大小，無法判斷波形的超前 或者滯后，因此將波形整形電路的兩路輸出 方波送入D觸發(fā)器中進(jìn)行相位極性判別，Op QVTUo當(dāng)Uo超前Ui時，Q端輸出高電平，反之輸葉出低電平，極性判別的原理圖如右圖 2- 1® 3-1-5相位極性判別電路5所示。2數(shù)字式移相信號發(fā)生器模塊(1)原理分析要實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相，首先要生成兩路正弦波信號，在目前的波形生成方案中， 最常用的就是數(shù)字式直接頻率合成技術(shù)(DDS)，DDS的工作原理是基于相位與 幅度的對應(yīng)關(guān)系，通過改變頻率控制字來改變相位累加器的相位累加速度，然后

13、在固定時鐘的控制下取樣，取樣得到的相位值通過相幅轉(zhuǎn)換得到的相位值所對應(yīng) 的幅度序列，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換以及低通濾波之后輸出正弦波信號?；究驁D如下：圖2-2-1DDS工作原理相幅轉(zhuǎn)換的方式選用查表法，根據(jù)題目的要求，輸出的兩列波形具有相位差,用以相位測量儀的輸入，將正弦波的量化數(shù)據(jù)存儲于兩片E2PROM之中，通過控制讀取存儲器數(shù)據(jù)的地址差，從而改變輸出波形的相位差，每個周期取樣360 個點(diǎn)，相位差步進(jìn)為10?，嵪喹h(huán)倍頻的基頻為900Hz,輸出正弦信號的頻率范圍 為5Hz23KHZ,實(shí)際頻率步進(jìn)值為2.5Hz。為了防止輸出信號產(chǎn)生相移，D/A的 輸出盡量避免濾波電路，只是在小信號輸出時接了一個低通濾波

14、器，原理框圖如下所示：圖2-2-2數(shù)字式移相信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖(2)原理電路選用2k的E2PROM存儲器2817對正弦波信號的量化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，由晶振電路產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率的方波作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)時鐘，配合可編程計數(shù)器8254進(jìn)行倍頻處理，改變倍頻的比例來改變輸出波形的頻率，同時倍頻之后的信號控制計數(shù)器74HC4040進(jìn)行循環(huán)計數(shù)，將計數(shù)器的輸出作為存儲器讀取的地址，改變 數(shù)據(jù)讀取的地址即可改變輸出波形的相位。 通過改變AD7524的基準(zhǔn)電壓Vref幅 值來改變輸出波形的峰-峰值大小。因兩路正弦波產(chǎn)生的原理相同，僅僅是數(shù)據(jù) 讀取的起始地址不同，以下給出一路波形生成電路，另一路硬件電路與此相同。PJ 5

15、DD4-SvCRYSTALB.OOOMl-iz-12V11uL45R1PCPOUTR2PCIOVTWO ir-1 PC2 OUT glObJ IbJ VCO OUT COMP IZ SF OUT KHSLEMERCIA 74HC404C5 曰CM II 皿L3LOR3 50kOUT6DODID3D3r>qDi DS r>7OLTTOGATEDCLKD <IDCPI做據(jù)昌連fVCCO11ElR2dTR3 t1WKOUTlGATE ICLKl PI3H151?CS RD WKAJO Al8254OLTTHOATE2CLK2 <17T?IS圖2-2-3倍頻電路+040>

16、CLKRSTQIQ2Q$Q*Q5騒QT翻Qg QIC qii qi376Tis-a4亙亙I?2132丄LF35d 、十圖2-2-4移相信號發(fā)生電路(3)移相網(wǎng)絡(luò)模塊由賽題的要求，在三種不同的輸入頻率下, 且幅值可調(diào)，禾用題中給出的移相網(wǎng)絡(luò)方 案,對元件的參數(shù)進(jìn)行理論分析與計算， 采 用阻容式移相電路，由其矢量圖可以知，當(dāng) 電阻、電容的等效阻抗相等時，移相范圍可 以滿足900要求，即R =1/qC，=2巧。16AD 7524AIO All要求實(shí)現(xiàn)-450+45o的連續(xù)移相,A45Uc45UR8當(dāng)頻率f變化時，經(jīng)理論計算結(jié)合 Pis pice仿真，得到R、C的具體參數(shù)如下: f=100Hz，R=1

17、60kQ、C=10nF;圖2-3-1移相電路矢量圖f=1KHz , R=16k Q、C=10nF;f= 10KHz , R=1.6kQ、C=10nF;通過改變R3、R4的阻值來改變輸出信號的幅值，電路原理如下圖所示：軟件設(shè)計與流程1系統(tǒng)軟件介紹：軟件部分采用模塊化程序設(shè)計的方法，由主控制程序、液晶顯示部分子程序、鍵盤服務(wù)子程序、語音提示部分子程序組成。我們選用凌陽公司推出SP CE061A型16位單片機(jī)微控制器，它帶有高尋址能力的32K字閃存FLASH以及2K靜態(tài) RAM，具有32位可編程的多功能I/O端口，中斷處理能力強(qiáng)，適合于實(shí)時、高 速的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是其指令系統(tǒng)中提出了具有較高運(yùn)算速度

18、的16X16位乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用增添了 DSP功能，可以進(jìn)行數(shù)字信號處理， 因此我們的系統(tǒng)很便利的加入了語音模塊。在其編譯環(huán)境下可以內(nèi)嵌C高級語言，C函數(shù)與匯編函數(shù)可以很方便的相互調(diào)用，所以編程效率高而且可靠。2程序流程圖相位測試模塊流程圖如圖3-1-1所示：不同開始相同與前浹測量值比較圖3-1-1相位測試模塊流程圖數(shù)字移相信號產(chǎn)生部分流程圖如圖3-1-2所示:初始化輸吐1固左麵率，中雖佢弓豐S辛的兩E£7F誌信號無護(hù)応斤6® 廬頻率設(shè)百sms幅 tasss圖3-1-2數(shù)字移相信號產(chǎn)生流程圖四系統(tǒng)測試與誤差分析1測試環(huán)境時間：2003年9月18日溫度：25

19、0C2測試儀器(1)(2)(3)(4)(6)FLUKE17B多功能數(shù)字萬用表 數(shù)字示波器TDS1002 凌陽SPCE061單片機(jī)BS1905工頻電參數(shù)測試儀CA164OR20型函數(shù)發(fā)生器/計數(shù)器3測試方法硬件模塊測試：系統(tǒng)本身由三個獨(dú)立的模塊構(gòu)成，所以分三部分進(jìn)行調(diào)試，首先對移相網(wǎng)絡(luò)，在三個頻點(diǎn)下通過撥碼開關(guān)來切換網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)，以此來對輸出波形的相位與幅值進(jìn)行調(diào)整。對于數(shù)字式移相信號發(fā)生器，通過紅外鍵盤對 輸出兩路信號的頻率、相位差以及峰-峰值進(jìn)行設(shè)置。最后把產(chǎn)生的有相位差的 兩路信號分別接入相位測試電路進(jìn)行相位差的測量。軟件模塊測試：采用自下而上的調(diào)試方式，先進(jìn)行模塊測試程序的調(diào)試，待 全

20、部通過之后將所有的軟件程序串接起來并結(jié)合硬件電路進(jìn)行整體調(diào)試。4測試數(shù)據(jù)(1) 相位差測量儀校準(zhǔn)由于實(shí)驗(yàn)室只有50Hz工頻相位測試儀，所以選取了 50Hz頻點(diǎn)進(jìn)行測試，由 此來對相位測量儀進(jìn)行校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)如表 1所示：表1相位差測量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)設(shè)定相位差顯示相位差測量相位差誤差10o9.58 09.73 01.9 %輸入信號頻率連續(xù)相移范圍峰-峰值范圍45。44.91 044.68 00.5 %90。89.46089.6300.2 %1350134.94 0134.8600.1 %1800181.34 0179.7700.9 %2700270.360269.7400.2 %3150316.47031

21、4.7300.6 %3590358.760359.01 00.1 %(2)移相網(wǎng)絡(luò)相移范圍測試表2移相網(wǎng)絡(luò)相移測試100Hz-46.78 0+43.12099mV5.44V1KHz-45.81 0 +41.07090mV5.50V10KHz-44.11 0 +42.56 089mV5.60 V（3）相位差與幅度的校驗(yàn)根據(jù)題意要求，自選幾個頻點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)，表3 f= 20Hz時校驗(yàn)數(shù)據(jù)表設(shè)定相位差顯示相位差誤差設(shè)定幅值（V）實(shí)際幅值（V）誤差1009.83 01.71 %0.30.320.25 %3.02.961.35 %5.55.421.47 %45044.85 00.33 %0.30.320.

22、25 %3.03.041.31 %5.55.362.61 %續(xù)表3f= 20Hz時校驗(yàn)數(shù)據(jù)表設(shè)定相位差顯示相位差誤差（）設(shè)定幅值（V）實(shí)際幅值（V）誤差（）90090.42 00.46 %0.30.339.10 %3.03.0005.55.441.10 %1500150.29 00.19 %0.30.339.10 %3.03.041.31 %5.55.362.61 %2700271.31 00.11 %0.30.326.25 %3.03.041.31 %5.55.362.61 %3590359.02 00.05 %0.30.326.25 %3.03.020.63 %5.55.401.85 %表

23、4f= 200Hz時校驗(yàn)數(shù)據(jù)表設(shè)定相位差顯示相位差誤差（%設(shè)定幅值（V）實(shí)際幅值（V）誤差（%1009.73 02.7 %0.30.313.25 %3.03.041.30 %5.55.421.47 %0.30.326.25 %45o44.27 01.62 %3.03.041.30 %5.55.470.50 %90o90.04 00.04 %0.30.3003.03.041.30 %5.55.421.47 %1500150.81 00.54 %0.30.3411.76 %3.03.020.63 %5.55.401.85 %2700270.91 00.34 %0.30.313.12 %3.03.0

24、20.62 %5.05.346.36 %3590359.24 00.06 %0.30.326.25 %3.03.010.30 %5.55.411.84 %表5 f=2KHz時校驗(yàn)數(shù)據(jù)表設(shè)定相位差顯示相位差誤差（%設(shè)定幅值（V實(shí)際幅值（V）誤差（%1009.96 00.4 %0.30.313.12 %3.03.030.9 %5.55.450.945044.38 01.37 %0.30.326.25 %3.03.041.2 %5.55.401.85 %90090.29 00.32 %0.30.3003.03.020.66 %5.55.460.73 %1500150.54 00.35 %0.30.3

25、26.25 %3.03.020.60 %5.55.431.28 %2700271.68 00.6 %0.30.313.12 %3.03.0005.55.421.47 %3590358.62 00.1 %0.30.3003.03.051.64 %5.55.382.06 %表6 f= 20KHZ時校驗(yàn)數(shù)據(jù)表設(shè)定相位差顯示相位差誤差（%設(shè)定幅值（V實(shí)際幅值（V）誤差（%10o9.96 o0.4 %0.3V0.326.25 %3.0V3.051.64 %5.5V5.401.85 %45o45.82 o1.82 %0.30.313.13 %3.03.0005.55.205.76 %90o90.64 o0

26、.7 %0.30.326.25 %3.03.030.10 %5.55.392.04 %150o150.29 o0.19 %0.30.3003.03.041.31 %5.55.107. 80%續(xù)表6 f= 20KHZ時校驗(yàn)數(shù)據(jù)表設(shè)定相位差顯示相位差誤差（%設(shè)定幅值（V）實(shí)際幅值（V）誤差（%270o270.41 o0.15 %0.30.339.10 %3.03.051.64 %5.55.303.77 %359o358.85 o0.04 %0.30.313.13 %3.03.103.30 %5.55.323.38 %5誤差分析（1）相位測量電路的誤差分析在相位測量過程中，受電子元器件性能的影響，在正弦波經(jīng)過零檢測電路整 成方波的過程之中，兩路信號不可能做到時延特性完全的一致， 前端放大電路以 及過零檢測電路會帶來方波信號相對于輸入信號的過零點(diǎn)偏移，所以得到的兩個方波信號的相位差實(shí)際上是輸入信號的相位差和兩路過零比較電路相位差的綜 合相差，由于是在一定的時間內(nèi)對脈沖的個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，因此將引入截斷誤差， 尤其當(dāng)兩路信號的相位差較小時，截斷誤差的存在將在很大程度上對相位測量的 精度造成影響。（2）移相網(wǎng)絡(luò)的誤差分析由于移相網(wǎng)絡(luò)是基于阻容移相的原理