低频数字式相位测量仪

2003年全国大学生 电子设计竞赛

低频数字式相位测量仪C1

青岛建筑工程学院

指导老师：赵艳秋 张民 张天开参赛队员：赵玉军 房瑞金 胡明辉

2003

年9月15日至18日 参赛单位：青岛建筑工程学院 指导老师：赵艳秋 张民 张天开

参赛队员：赵玉军 房瑞金 胡明辉

技术要求：

1． 基本要求

⑴． 设计并制作一个相位测量仪，

a. 频率范围：20HZ —— 20KHZ。 b. 相位测量仪的输入阻抗≥100K

c. 允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V-5V范围内变化 d. 相位测量绝对误差≤2°

e. 具有频率测量及数字显示功能

f. 相位差数字显示：相位读数为0°～359.9°，分辨率为0.1° ⑵． 参考图2制作一个移相网络

a． 输入信号频率：100HZ，1KHZ，10KHZ b． 连续相移范围：-45°～+45°

c． A`，B`输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～0.5V范围

内变化。

2． 发挥部分

⑴． 设计并制作一个数字式移相信号发生器，用以产生相位测量仪所需

的输入正弦信号，要求：

a． 频率范围：20HZ-20KHZ，频率步进为20HZ，输出频率可预

置 b． A，B输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3v-0.5v范围内变

化

c． 相位差范围为0～359°，相位步进为1°，相位差可预置。 d． 数字显示预制的频率，相位差值。

⑵． 在保持相位测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输

入正弦电压峰-峰值至0.3-0.5v范围

⑶．用数字信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点，相位差值和不同

幅度进行校验 ⑷．其他

系统功能实现及特色：

相位测量仪

本设计保证了频率范围为20HZ-20KHZ，由于单片机的晶振为11.0592MHZ，它执行一个机器周期不到1us，所以，频率范围还可以进一步扩大。

输入阻抗的实现，我们采用了前端加射极跟随器的方式提高了输入阻抗 对于正弦峰-峰值，我们采用了过零比较器实现了信号周期的采集，芯片采用LS324其正负电压后为（-12，+12），完全满足1V-5V正弦波峰-峰值的要求

数字显示：我们利用了8个数码管，采用静态显示方式，最后两个‘米’字型16段数码管可显示26个英文字母和两个希腊字母，我们利用两个‘米’字数码管来显示单位。

相位差及周期的测量：把相位差转换成脉冲个数，由于机器的晶振固定这样就把相位差及周期问题转换成时间问题，同时利用单片机RD2内部资源定时

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器0，定时器2，周期采用定时器2的捕捉方式。 移相网络：

本设计基于移相网络的原理，指导公式，分析判断出移相为-45°，45°， 0°时滑动电阻的状态，进一步设计

本设计基本完成了-45°到正+45°的移相网络 数字式移相信号发生器：

频率范围的设计：我们利用8253进行分频，4MHZ使得分频后的步进度虽不

是20HZ ，但比20HZ更细

dac0832的参考电压设计，使A，B正弦波信号幅值从0-5V分成255份，可

变化正弦波的幅值

相位通过CPLD设计完成了步进为1°，相位差可预置

我们该设计是用了中文液晶显示，实现了中文显示和图形显示。

特色：

CPU为RD2，大容量，内置看门狗，具有在线下载和在线调试功能 中文液晶显示，同时增加了图形显示功能

移植了DDS技术，使用了CPLD与单片机相结合技术 利用8253分频，提高分频能力

利用0832改变参考电压，实现了0-5V幅值可调 使用了16段‘米’字型数码显示 使用了定时器2的捕捉方式

摘要：

低频式数字相位测量仪的设计制作包括相位测量仪，和数字式移相信号发生器和移相网络三部分。

数字式相位测量仪利用单片机和逻辑电路相结合具有相位测量和液晶数字显示等功能

移相网络利用RC网络和电压跟随器及同相输入的比例放大电路和复杂的可变成逻辑器中（CPLD）

关键词：相位差，相位测量，移相信号发生器，可编程逻辑器件。

方案选择：

一．分离元件设计方案

本方案利用大量数字芯片，通过各种逻辑关系构成，但由于芯片无编程性，如果完成本次大赛的所有要求难度较大，只能完成部分功能，同时电路复杂 二．专用集成芯片设计方案

可利用专用移相芯片设计，对于本次大赛，失去了大赛的意义，所以也不采用 三．本着学习新技术，以高新技术为参赛原则，我们采用了DDS与CPLD机构结合的

原则，首先将DDS技术有机的移植到CPLD上，来作为组成的特色和亮点，DDS本身的原理是以数控震荡器的的方式产生频率，相位可控制的正弦波，电路一

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般包括基准时钟，频率累加器，幅度/相位转换电路，D/A转换器和低通滤波器等，我们用CPLD完成了正弦波相位累加等 设计工作，利用2746存放的原始波形，DAC0832把数字量变成模拟量进行输出。

频率的改变：我们利用了外围芯片8253，其输入晶振为4MHZ，通过对4MHZ进行

分频处理而产生不同的频率值。

我们采用了双路正弦波产生电路设计方案，这样通过两路相同的设计实现了A，B两路的模拟信号，实现了A，B同周期信号的产生。

幅值的改变：由于0832的参考电压不同，则输出不同的特性，我们采用了一片

0832作为参考电压的产生，这样，8位数字量使得我们进一步把0-5V电压分成了256份，也就相当于把A，B两路的模拟信号幅值从0到5V分成了256份，进行了调幅。

移相网络部分

移相网络原理图

①移相原理公式：

?UC1?RR??UC2

1j?C1

1j?C????UUii11?j?CRR?j?C??Uij?CR?Ui1?j?CR 4

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U?R41?R(U?C1?U?C2)?U?C23?R4?R3?j?CRR4

(RRj?CR)U?i3?4)(1?

(?2C2R2?R4?R3)?j?CR(R4?R3)?(R222Ui4?R3)(1??CR)

U?RfRf?2C2R2R4?R3?j?CR(R403?(1?R)U?1?(1?)?R3)(R2C2R2)U?i nRn4?R3)(1??

U0与Ui的相位差 ?CR(R4?R3)

??arctanR2

3??2CR2R4

可见，调节R4，R3及WCR均可调节相位，调节Rf,Rn,R3,R4,w，可以调节幅值 ②参数配合

若R4=R3时，￡=0 若R4=0，R3=R1，￡=-arctan(wcr) 取￡= -45°时，wcr=1 若R3=0，R4=R1，￡=arctan(1/wcr) 取￡=45°时，wcr=1 RC=1/W=1/2Πf ⑴若f=100HZ C=100NF 则R=15.9K

⑵若f=1KHZ C=47NF 则R=3.38K ⑶若f=10KHZ C=7NF 则R=2.27K

数字式信号发生器部分

一． 信号发生原理

本模块是基于DDS技术，实现了数字式信号发生器，DDS原理上是一个分频器。

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