低频数字式相位测量仪(5)

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

由题目对最小峰峰值（0.3v）的要求，我们可知电阻R4、R5，以及变阻器R7，R8应满足： 0.3＝R4/（R4+R7）*5=R5/（R5+R8)*5 (10) 由式（10），我们可选电阻R4=R5=620oh，R7=R8=9.7koh(我们取标称值10koh)。 由公式（9）可得，网络的最大输出峰峰值为：

(1?R62.8)?0.5?5?(1?)?0.5?5?5.013 R36.7R50.62*5?*5?0.292

R5?R80.62?10由公式（10）可得，网络的最小输出峰峰值为： R5/（R5+R8）*5＝

完全满足题目的要求。

三、 测试

a) 测试仪器

HEWLETT PACKARO 5460B示波器 SAMPO CN3165频率测量仪

GW INSTEK GFG-8215A 函数信号发生器 UNIT UT70B万用表

b) 测试数据

1、移相网络输出电压及相位测试数据 频率 电压 相位差最大值 相位差最小值 100Hz 0.2V 44 -46 1.0V 46 -44 2.5V 46 -44 5.0V 46 -44 1000Hz 0.2V 44 -46 1.0V 44 -46 2.5V 44 -46 5.0V 45 -45 10000Hz 0.2V 45 -45 1.0V 46 -44 2.5V 45 45 5.0V 45 45 幅度测量 输出锻压值 题目要求 测试结果 5.0v 5.1v 最大电压 0.3v 0.27v 最小电压

由表可见，在不同频率下电压和相位均十分稳定，超出题目要求。 2、数字式移相信号发生器测量(测试条件 VP-P=3.0V) 1． 输出频率的测量 预值频率 实测频率 误差（%） 20Hz 20.00031 Hz 0.002 100Hz 100.0015 Hz 0.002 500Hz 500.0079 Hz 0.002 1000Hz 1000.015 Hz 0.002 21

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

5000Hz 5000.079 Hz 0.002 10000Hz 10000.15 Hz 0.002 20000Hz 20000.31 Hz 0.002 30000Hz 30000.45 Hz 0.002 40000Hz 40000.63 Hz 0.002 由表可见，频率稳定，实现和超出题目要求。 2． 相位差的测量(测试条件 VP-P=3.0V, F=1000Hz) 预值相位 实测相位差 相对误差（%） 绝对误差 0 0 1° 1.0° 0.5 20° 20.1° 0.1° 0.22 90° 90.1° 0.1° 0.20 100° 100.1° 0.1° 0.20 150° 150.1° 0.1° 0.11 180° 180.2° 0.2° 0.11 270° 270.2° 0.2° 0.10 300° 300.2° 0.2° 0.11 359° 359.2° 0.2° 由表可见，相位差稳定，绝对误差在题目要求范围之内。 3、数字相位仪数据测量数据 相位测量 频率测量 测量相位实测数据 绝对误差 相对误差（%） 测量频率实测数据 值 值 0 20 Hz 20.005 Hz 1° 1.0° 0° 100 Hz 100.03 Hz 20° 20.1° 0.5° 0.1° 1000 Hz 1000.3 Hz 90° 90.2° 0.22° 0.2° 5000 Hz 5000.1 Hz 150° 150.3° 0.20° 0.3° 0.2 10000 Hz 10003 Hz 180° 180.2° 0.11° 15000 Hz 15005 Hz 300° 300.3° 0.10° 0.3° 20000 Hz 20007 Hz 359° 359.4° 0.11° 0.4°

4、用数字移相信号发生器检验相位测量仪(相位测试条件为频率在1000Hz时) 电压幅度 相位 频率 （V P-P） 预值相位 实测相位误差（%） 预设频率 实测频率 差 0.3V 10.0 20Hz 19.997 Hz 1° 1.1° 1..3 100 Hz 99.998 Hz 75° 76.0° 0.60 1000 Hz 9999.8 Hz 180° 181.1° 0.07 10000 Hz 99999 Hz 300° 299.8° 1..90 20000 Hz 19998 Hz 359° 358.3° 1.0V 10.0 20Hz 20.000 Hz 1° 1.1° 0.90 100 Hz 100.02 Hz 75° 75.7° 0.33 1000 Hz 1000.2 Hz 180° 180.6° 误差（%） 误差（%） 0.015 0.02 0.02 0.01 0.01 0 0.02 0.02 22

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2.0V 5.0V 7.0V 300° 359° 1° 75° 180° 300° 359° 1° 75° 180° 300° 359° 1° 75° 180° 300° 359° 300.2° 358.5° 1.0° 75.4° 180.8° 300.3° 358.6° 0.9° 75.5° 180.4° 299.6° 358.1° 0.9° 75.5° 180.3° 299.5° 358.0° 0.07 1..30 0 0.53 0.44 0.01 0.11 10.0 0.70 0.22 0.13 0.03 10.0 0.67 0.16 0.16 0.03 10000 Hz 20000 Hz 20Hz 100 Hz 1000 Hz 10000 Hz 20000 Hz 20Hz 100 Hz 1000 Hz 10000 Hz 20000 Hz 20Hz 100 Hz 1000 Hz 10000 Hz 20000 Hz 10002 Hz 20004 Hz 19.998 Hz 100.02 Hz 1000.3 Hz 10003 Hz 20006 Hz 20.004 Hz 100.02 Hz 1000.3 Hz 10004 Hz 20008 Hz 20.006 Hz 100.03 Hz 1000.3 Hz 10004 Hz 20008 Hz 0.02 0.04 0.01 0.02 0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 0.03 0.04 0.04 0.03 0.03 0.03 0.04 0.04 四、 总结 我们设计的系统不仅完成了题目的基本要求和发挥要求，而且

某些指标远远超出发挥部分的要求。用MSP430实现基本要求中测量和显示功能；用AVRmega8515实现扩展要求中的数字式移相信号发生器。本设计充分利用了MSP430的高速硬件捕获功能来实现频率和相位的测量，并利用AD对数据进一步处理，在高低频段分别采用多次测量、滤波算法、矢量分解、偏移修正等算法消除干扰提高精度，采用了大屏幕液晶显示测量的详细信息。利用AVRmega8515采用软件DDFS实现双路数字式移相信号发生器，由于使用优化算法，实现了高达每秒655.36K次的双路相位计算，输出频率为20Hz-40.48KHz，可实现20Hz的步进，系统硬件结构简单，频率、相位稳定度高；采用数码管显示和按键设置频率及相位差。移相网络安题目要求由常规的模拟器件组成。

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低频数字式相位测量仪c65

作者:吕锦柏 刘勇 冯科(山东理工大学) 赛前及文稿整理辅导教师: 姜吉顺 卢恒炜

摘 要

该数字式相位测量仪以单片机(89c52)为核心,通过高速计数器CD4040为计数器计算脉冲个数从,而达到计算相位的要求,通过8279驱动数码管显示正弦波的频率，不采用一般的模拟的振动器产生,而是采用单片机产生,从而实现了产生到显示的数字化.具有产生的频率精确,稳定的特点.相移部分采用一般的RC移相电路,节省了成本。

一 方案论证与比较:

1 常见正弦信号的测量方法:

方案一：采用模拟分离元件 如二极管，三极管等非线性元件，实现频率的测量，检相的功能，使用起来方便，价格便宜，但采用分离元件由于分散性太大，不便于集成及数字化，而且测量误差大。

方案二：采用集成的检相器，检频器实现频率及相位的测量。这种方法的实现框图如下：

正 相位及频率显 弦检相器 波

检频器

这种方法虽然可实现比较精确的测量，但由于模拟信号易受外界的干扰，不易调节，无法实现智能化，数字化的缺点，一般在要求较低的情况下使用。 方案三：此方案采用高速信号发生器产生20MHz的高频信号，其主要特点是采用CD4040高频计数器结合单片机，利用计数脉冲实现测量相位与频率的目标。这种方法克服了模拟电路的缺点，实现了数字化与集成化。本设计采用了这种方法。

这种方案的组成框图：

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复位 显示 键盘 键盘显示接口 单 片 机 系 统 单 片 机 接 口 电 路

过零比较 过零比较 控 制 电 路 移相计 时电路 \\

二 系统总体设计

按照题目要求，我们设计的相位测量系统包括三部分：正弦波产生系统（包括频率调整电路），移相电路和相位显视系统，其总体框图如下： 正弦波产生 相位测量及显示电路

RC移相电路 （频率调整）

三 各部分硬件电路设计及参数计算 1、正弦波产生电路

（一）方案一：利用8038芯片或MAX038可以实现压控的函数发生器通过

改变少量的外围元件，可实现正弦波，方波，三角波，并可实现频率调节，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使使用单片函数发生器，参数也与外部元件有关，外接的电阻，电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度差，精度低，抗干扰能力差，调节困难，成本也高。而且灵活性差，不能实现智能化。实现步进更困难 （二）方案二：利用单片机89c52芯片，发送脉冲信号，在一定频率范围内，

再经过低通滤波，可以实现正弦信号。这种方法可以实现频律的步进与预置，实现数字智能化。它的原理框图：

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