低頻相位測量儀概述【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　電氣工程及自動化</b></p><p><b>　　低頻相位測量儀概述</b></p><p>　　摘要：本文主要介紹了研究低頻相位測量儀的意義，低頻相位測量儀的歷史背景及測量的三種方法，并比較了用FPGA、CPLD

2、、DSP以及數(shù)字電路來實現(xiàn)的不同。</p><p>　　關(guān)鍵詞：低頻；相位；單片機</p><p><b>　　1、課題背景</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進的發(fā)展，電子技術(shù)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、航空航天、國防建設(shè)等國民經(jīng)濟的諸多領(lǐng)域中，而電子測量技術(shù)又是電子技術(shù)中進行信息檢測的重要手段，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中占有舉足輕

3、重的作用和地位[1]。低頻數(shù)字式相位測試儀在工業(yè)領(lǐng)域中是經(jīng)常用到的一般測量工具，比如在電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時，要求兩電網(wǎng)的電信號相同，這就要求精確的測量兩工頻信號之間的相位差。還有測量兩列同頻信號的相位差在研究網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的頻率特性中具有重要意義。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，很多測量儀逐漸向“智能儀器”和“自動測試系統(tǒng)”發(fā)展，這使得儀器的使用比較簡單，功能越來越多[2]。</p><p><b>　

4、　2、設(shè)計原理</b></p><p>　　低頻相位測量儀主要以單片機為核心，由移相網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字式相位測量儀(含測頻功能)、數(shù)字式移相信號發(fā)生器三個獨立模塊組成[3]。</p><p>　　移相網(wǎng)絡(luò)有模擬移相和數(shù)字移相，數(shù)字式移相信號發(fā)生器的實現(xiàn)主要有兩種方案：</p><p>　　方案一：鎖相環(huán)頻率合成</p><p>　　使用鎖

5、相環(huán)頻率合成，實現(xiàn)信號發(fā)生器，頻率穩(wěn)定精確、并且在較大范圍可變，但由于鎖相環(huán)本身是一個惰性環(huán)節(jié)，鎖定時間較長，故頻率轉(zhuǎn)換時間較長。而且，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)，幅度和相位都很難控制。</p><p>　　方案二：采用直接數(shù)字頻率合成器(DDFS)</p><p>　　它主要由相位累加器、波形表、D／A輸出、低通濾波器四部分組成。采用這種純數(shù)字化的方法，產(chǎn)生信號的頻率準(zhǔn)確、頻率分辨率高

6、，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控。</p><p>　　對于相位差測量的基本原理主要有三種:對信號波形的變換和比較﹑對傅氏級數(shù)的運算及對三角函數(shù)的運算，其具體方法如下[4]：</p><p><b>　　方法一：矢量法</b></p><p>　　任何一正弦函數(shù)都可以用矢量來表示，如兩個正弦信號幅度相等、頻率相同，運算器運用減法器則

7、合成矢量的模：。這種方法用于測量小角度，靈敏度較好，可行度也較好；而在靠近180。附近靈敏度降低，讀數(shù)困難也不準(zhǔn)確。由于輸出是一余弦或正弦函數(shù)，因此這種方法適用的頻帶范圍是較寬的[5]。</p><p><b>　　方法二：倍乘法</b></p><p>　　任何一周期函數(shù)都可以用傅氏級數(shù)表示，在這里運算器是一個乘法器，兩個信號是頻率相同的正弦函數(shù)，相位差為一個角度，

8、運算結(jié)果再經(jīng)過一個積分電路，得到一直流電壓，電路的輸出和被測信號相位差余弦成正比例，因此其測量范圍在45°以內(nèi)，欲使測量范圍擴展到360°，需要附加一些電路才能做到。這種方法由于應(yīng)用了積分環(huán)節(jié)，可以濾掉信號波形中的高次諧波，抑制了諧波對測量準(zhǔn)確度的影響[6]。</p><p>　　方法三：過零點檢測法</p><p>　　過零檢測法是將基準(zhǔn)信號正向通過零的時刻與被測信號

9、通過零的時刻進行比較，由二者之間的時間間隔，即可推算出兩信號之間的相位差。這種方法的特點是電路簡單，對啟動采樣電路要求不高，同時該方法還具有測量分辨率高、線性好、易數(shù)學(xué)化等優(yōu)點[7]。</p><p><b>　　3、設(shè)計思路</b></p><p>　　低頻相位測量儀可利用可編程控制器件FPGA/CPLD，DSP和數(shù)字電路等多種方法實現(xiàn)：</p>&l

10、t;p>　　思路一：可編程控制器件FPGA/CPLD+單片機</p><p>　　該系統(tǒng)以Altera公司的EP1K100QC208-3作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，由移相網(wǎng)絡(luò)，信號處理電路，數(shù)據(jù)采集電路，數(shù)據(jù)運算電路以及LED數(shù)碼管顯示電路組成。我們輸入一路正弦信號，經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)后得到兩路同頻不同相的正弦信號，在經(jīng)過信號處理電路將移相網(wǎng)絡(luò)的兩路輸出信號處理為兩路同頻不同相的方波，將定義的信號超前端和信號滯后端兩

11、路信號送入EP1K100QC208-3內(nèi)，經(jīng)過VHDL語言編寫生成的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)運算模塊，將數(shù)據(jù)送入LED數(shù)碼管顯示電路顯示出經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)后的兩路同頻信號的相位差[8-9]。</p><p>　　思路二：DSP+單片機</p><p>　　此低頻數(shù)字式相位測量儀的目的是將輸入的信號先進行信號整形，然后送給移相網(wǎng)絡(luò)，再送給TMS320VC5402處理，最后將結(jié)果送給AT89S52，并由A

12、T89S52控制LCD顯示測量結(jié)果。該系統(tǒng)以TMS320VC5402為核心，對待測量信號進行采集和處理，包括整形和移相電路，把采集來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其中SRAM和Flash分別為TMS320VC5402的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。鍵盤和顯示部分則由AT89S52來控制，AT89S52把鍵盤操作轉(zhuǎn)換為控制信號再傳送給TMS320VC5402，控制系統(tǒng)是進行相位測量還是周期、頻率、脈寬、占空比測量，TMS320VC5402把要顯示的

13、系統(tǒng)狀態(tài)送給AT89S52，以實現(xiàn)LCD顯示[10]。</p><p>　　思路三：數(shù)字電路+單片機</p><p>　　該系統(tǒng)的整形電路由AD620和LM339組成，AD620是一個高性能儀用放大器，它只須外接一個電阻，即可實現(xiàn)增益在1～1000內(nèi)調(diào)節(jié)。當(dāng)增益為1時，不需外接電阻，且其阻抗可達到10MΩ。用AD620可實現(xiàn)對弱小信號的放大整形。LM339比較器組成施密特電壓比較器，用于檢

14、測信號過0點，將正弦波整形為方波。鑒相器由一片74LS74雙D觸發(fā)器組成，線性度好，工作范圍為0～359.999°。外部計數(shù)器采用兩片2-8-16進制計數(shù)器SN74197，分頻系數(shù)選256。當(dāng)為上限頻率，相位最大時，分頻后進入單片機的頻率小于2.4MHz/256=9.3kHz，滿足單片機外部計數(shù)脈沖小于250kHz的條件。顯示器用6位LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示，定時刷新，用6片串入并出的移位寄存器74LS161驅(qū)動[11-12]。&

15、lt;/p><p><b>　　4、總結(jié)與比較</b></p><p>　　低頻相位測量儀涉及到對信號的處理、分析、計數(shù)，由于單片機集成度高，智能程度高，功能強大，使得他實現(xiàn)起來比較簡單，而且具有體積小、性價比高、性能穩(wěn)定的特點。</p><p>　　在FPGA系統(tǒng)中，硬件電路簡單，適用于200Hz～20kHz頻率范圍內(nèi)的信號，該系統(tǒng)能充分利用FP

16、GA對數(shù)據(jù)的高速處理能力，使得系統(tǒng)設(shè)計高效，可靠。</p><p>　　在CPLD系統(tǒng)中，相位測量功能完全在一塊CPLD芯片內(nèi)部實現(xiàn)，極大的簡化了外圍邏輯電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。與傳統(tǒng)的電路設(shè)計相比，具有測量頻帶寬、分辨率高、速度快、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。</p><p>　　在DSP系統(tǒng)中，該系統(tǒng)能夠精確地測量出輸入信號的相位、周期、頻率、脈寬和占空比，且具有體積小、操作靈活、性能穩(wěn)定和性價

17、比高的特點。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 史國清等. 基于單片機的低頻數(shù)字相位測量儀的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，8：80～81.</p><p>　　[2] John Wiley. Analog and digital electronics for scientists[M]. New

18、York: Vasses Basil，1985.</p><p>　　[3] 楊寧等. 簡易低頻數(shù)字式相位測量儀的設(shè)計[J].武漢化工學(xué)院學(xué)報，2006(6)，28：75～79.</p><p>　　[4] 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會編.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品精選（2003）[M].2003.</p><p>　　[5] 姚遠等.低頻數(shù)字式相位差測量儀[J

19、].電子世界,2004(5):39～41.</p><p>　　[6] 譚會生.EDA技術(shù)綜合應(yīng)用實例與分析[M].西安:西安電子科大出版社,2004.</p><p>　　[7] 張超,劉開培.基于CPLD的相位差測量儀[J].電子技術(shù),2003(5):13～17.</p><p>　　[8] 王振紅等.基于FPGA 控制的低頻數(shù)字式相位測量儀研究[J].北方工業(yè)

20、大學(xué)信息工程學(xué)院,2010(1):76～78.</p><p>　　[9] 田秀豐等.低頻數(shù)字式相位測量儀的設(shè)計[J].無線通信技術(shù),2008,2:55～58.</p><p>　　[10] 俞斌等.基于DSP的低頻數(shù)字式相位測量儀的設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界,2006(12):84～87.</p><p>　　[11] 姜玉宏等.基于MCS-51的高精度數(shù)字測相方法