低频数字式相位测量仪(4)

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

通常使用的相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来1个时钟脉冲，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累积相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上1个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下1个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累积满量时就会产生1次溢出，完成1个周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的1个频率周期，累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为取样地址，对正弦波波形存储器进行相位－幅值转换，即可在给定的时间上确定输出的波形幅值。

数模转换及低通滤波器 ：DAC将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号，低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出特定频率段及平滑的正弦波信号。按照Nyquist准则，最高输出频率可达0.5fc。但考虑到实际低通滤波器性能的限制，实际最高输出频率一般取为40％fc。

通过对DDFS原理的分析，我们发现DDFS核心的是相位累加器、相位计算和ROM查表算发，通过CPU和软件完全可以完成同样的工作，本题需要输出移相信号，需要使用两路同频DDFS。经过理论计算和软件测试，我们选用了AVRmega8515单片机，使用优化算法实现了图2－6的算法，实现了高达每秒655.36K次的双路相位计算。软件DDFS与硬件DDFS的基本原理是相同的，同样输出频率下效果完全相同。但软件DDFS用高性能的单片机来代替过去用PLD、ROM和单片机才能实现的功能。从而使得操作更灵活、硬件电路更简单。

16位输出A低通滤波器A通道相位累加器地址变换A通道D/A转换器ROM波形存储器频控字KB通相控字P道B通道D/A转换器输出B低通滤波器图2-7 DDFS双通道移相算法总体设计： 数字式移相信号发生器的总体设计框图如图2－8所示：

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按键输入LED显示单片机DA0800输出DA0800输出平滑滤波信号输出平滑滤波信号输出 图2－8 数字式移相信号发生器的设计框图

器件选择及相关的计算：

题目要求频率范围在20Hz－20KHz，步进20Hz可得：频控字K从最低输出频率到最高输出频率变化至少20KHz/20Hz=1000,因此至少使用10位计数器。从单片机的存储能力和计算能力考虑，使用16位无符号整形表示K,使用范围1-2048，即实际使用11位。根据要求，为了在最高频率20KHz时输出平滑波形，使用32点输出，因此选择了具有665.36KHz的DA输出速度的DA0800器件。在此频率下，在输出20.48KHz信号时保持32点输出，波形相当平滑。最高可以输出40.96KHz信号。在软件DDFS计算过程中，移位和计算ROM表的地址比较耗时，为了提高计算速度，使用了空间换时间的方法，在ROM表中连续构造每周波2048点的正弦表3个。通过这种方法，减少了计算地址移位的时间和避免了B相相位叠加后溢出的问题。通过优化，AVR CPU可以在25机器周期内完成两通道DDFS计算并送DA输出。因此我们选用了16.384MHz四脚晶振作为CPU时钟，实现了16.384MHz/25=665.36Khz的输出频率。软件DDFS算法如上图，程序如下：

Loop: LPM

OUT PORTA,R0 ADD R30,R18 ADC R31,R19 LPM

OUT PORTC,R0 NOP

ADD R28,R16 ADC R29,R17 MOVW R30,R28 LSR R31 ROR R30 LSR R31 ROR R30 LSR R31 ROR R30

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LSR R31 ROR R30 ADD R31,R27 RJMP Loop

DA输出后经放大器，即可得到平滑的波形。即，用放大器实现了平滑滤波的作用。经实验发现其效果很好。

按键操作：本键盘由设置键、确定键、上下键和左右键六个键组成。可以实现频率和相位的参数设置。 软件流程图：

数字式移相信号发生器的软件实现流程图如图2－9所示：

复位开始 重设参数 参数初始化 调出原存储设置

检测按键 按键类型识别

启动键 上下键 左右键 修改频率设置 修改相位设置

存储参数 LED显示

图2－9 数字式移相信号发生器软件流程图

输出波形 18

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参赛队员：赵玉军 房瑞金 胡明辉

3、模拟移相部分

此部分我们按照题目要求设计、安装并测试了移相网络 电路图设计：

移相网络的实现电路如图3－1所示（频率在100Hz时的电路图）：

图3－1 移相网络硬件实现电路 当频率在100Hz和10KHz时，只需将电路中的R1 和R2分别同时换成16Koh和 160oh的电阻。

其理论仿真结果（在1KHz时）如图所示：

正相移时： 负相移时：

理论分析与计算

移相网络中各元件参数的选择：

设电源的电压为U，则由电路图3－1可得：

. 19

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.RU1?U （1）

R?j(2?fc).?j(2?fc). U2?U （2）

jR?2?fcU3?kU1?(1?k)U2 （k为变阻器得分阻系数，满足0?k?1） （3）

...U4?(1?R6R3)U3 (4)

由式 （1），（2），（3），（4）可得：

.....kR?(1?k)jjR?2?fcU4?(1?R6R3)[kU1?(1?k)U2]?(1?R6/R3)?由（5）式可知：U4与U的相位差为：

2?fcU （5）

.??arctan

11?k?arctan （6） 2?fc2?kfcR由题目要求相移范围在?45?～+45?可得：

1arctan()＝45? 即：

2?fcR1Rc? (7)

2?f由此可知，当频率f一定时，Rc的乘积为定值。例如：

f=100Hz时，Rc=1/(2*3.1416*100)=1..592?10,只要确定一个参数的值，则另一个参数也可确定。

题目要求有三个频率点，考虑在每个频率点上，系统都有应有较大的电阻，再综合考虑实际器件的数值，我们可选择的参数如下：

在频率f=100Hz时，取R1=R2=16koh,c=0.1uF; 在频率f=1KHz时，取R1=R2=1.6koh,c=0.1uF; 在频率f=10KHz时，取R1=R2=160h,c=0.1uF; 变阻器R9是用来调相位的，阻值取1Koh即可。

由于A端的输出为电源电压的同相分压，所以其最大幅值为电源电压的幅值。题目要求A端的输出峰峰值最大为5v，因此，电源电压的幅值为2.5v。

由式（5）可得U4与U的幅值关系：

3R6k2R2?(1?k)2(4?2f2c2)U4?(1?)U （8） 2222R3R?1(4?fc)由上述结论可知R?1，所以当k＝0或k＝1时，根式里的值最大（为0.5），由于题目要2?fc求电压的最大峰峰值为＋5v，因此要求R6与R3之间必须满足一定的关系，即：

(1?R6)?0.5?1 (9) R3由此得：R6=0.414*R3 我们取R3＝6.7koh，则R6＝2.8koh

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