低頻數(shù)字式相位測試儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

尹曉慧，陳 勁，張寶菊，王 為

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

低頻數(shù)字式相位測試儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

尹曉慧，陳 勁，張寶菊，王 為

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

基于過零檢測法，以微控制器ATmega128和可編程邏輯器件EPM1270為核心，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了對雙路同頻低頻信號的相位差和頻率進(jìn)行測量的系統(tǒng).在一個可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）內(nèi)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式相位差和頻率的數(shù)據(jù)采集，簡化了系統(tǒng)設(shè)計.系統(tǒng)可以對200 Hz～10 k Hz頻率范圍內(nèi)的信號進(jìn)行相對精確的測量，與傳統(tǒng)相位測量儀相比，具有硬件電路簡單、測量速度快和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn).

相位測量；頻率測量；CPLD；微控制器；液晶顯示

在電子測量技術(shù)中，相位測量是最基本的測量手段之一，相位測量儀是電子領(lǐng)域的常用儀器.隨著相位測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國防、科研和生產(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)，相位測量在電力和機(jī)械等部門具有非常重要的意義［1］，目前相位測量主要運(yùn)用等精度測頻和鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）測相等方法.研究發(fā)現(xiàn)，等精度測頻法具有在整個測頻范圍內(nèi)保持恒定高精度的特點(diǎn)，但該原理不能用于測量相位［2］.PLL測相可以實(shí)現(xiàn)等精度測相，但電路調(diào)試較復(fù)雜.因此，本研究選擇直接測相法作為低頻測相儀的測試方法.對于低頻相位的測量，使用傳統(tǒng)的模擬指針式儀表顯然不能滿足所需的精度要求，隨著電子技術(shù)和微機(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智能化、直觀化的特點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用因此，本研究設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了以CPLD和微控制器（Micro Control Unit，MCU）為核心的低頻數(shù)字式相位測量儀.

1 相位測量

相位差測量的基本原理有3種：對信號波形的變換比較、對傅氏級數(shù)的運(yùn)算和對三角函數(shù)的運(yùn)算［2－3］.3種原理分別對應(yīng)過零檢測法、倍乘法和矢量法3種測量相位差的方法.

過零點(diǎn)檢測法是一種將相位測量變?yōu)闀r間測量的方法，其原理是將基準(zhǔn)信號的過零時刻與被測信號的過零時刻進(jìn)行比較，由二者之間的時間間隔與被測信號周期的比值推算出兩信號之間的相位差.這種方法的特點(diǎn)是電路簡單，且對啟動采樣電路要求不高，同時還具有測量分辨率高、線性好和易數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn).

任何一個周期函數(shù)都可以用傅氏級數(shù)表示，即用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級數(shù)來表示，倍乘法測量相位差所用的運(yùn)算器是一個乘法器，2個信號是頻率相同的正弦函數(shù)，相位差為φ，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過一個積分電路，可以得到一個直流電壓V＝kcosφ，電路的輸出和被測信號相位差的余弦成比例，因此其測量范圍在45°以內(nèi)，為使測量范圍擴(kuò)展到360°，需要附加一些電路才可以實(shí)現(xiàn).倍乘法由于應(yīng)用了積分環(huán)節(jié)，可以濾掉信號波形中的高次諧波，有效抑制了諧波對測量準(zhǔn)確度的影響.

任何一個正弦函數(shù)都可以用矢量來表示，如各個正弦信號幅度相等、頻率相同，運(yùn)算器運(yùn)用減法器合成得到矢量的模V＝2Esinφ／2.矢量法用于測量小角度范圍時，靈敏度較好，可行度也較高；但在180°附近靈敏度降低，讀數(shù)困難且不準(zhǔn)確.由于系統(tǒng)輸出為一余弦或正弦函數(shù)，因此這種方法適用于較寬的頻帶范圍［1］.

上述3種測量相位的方法各有優(yōu)勢，從測量范圍、靈敏度、準(zhǔn)確度、頻率特性和諧波的敏感性等技術(shù)指標(biāo)來看，過零檢測法的輸出正比于相位差的脈沖數(shù)，且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動化，故本研究采用過零檢測法.

2 頻率測量

采用過零檢測法需要對被測信號的周期進(jìn)行測量，由于信號的周期與頻率之間呈倒數(shù)關(guān)系，本研究采用測量被測信號頻率的方法實(shí)現(xiàn)對其周期的測量.頻率測量的方法很多，可分為2大類：第1類是單位時間內(nèi)測量脈沖周期的方法，這種方法的優(yōu)勢是能夠用標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)單位時間對被測信號時鐘進(jìn)行脈沖測量，簡單方便，容易實(shí)現(xiàn)，但是由于使用了基準(zhǔn)的單位時間，所以測量脈沖時，如果被測信號的周期接近基準(zhǔn)時鐘的周期，測量的準(zhǔn)確度就會下降，精度難以得到保障，所以這種方法只適合于測量高頻信號，或者說這種方法只適合于基準(zhǔn)時鐘周期比被測信號周期大得多的情況；第2類測量方法是使用高頻時鐘對被測信號的單個時鐘周期進(jìn)行高頻計數(shù)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使用高頻時鐘對被測信號的單個時鐘周期進(jìn)行高頻計數(shù)可以在一個被測信號周期內(nèi)完成對頻率的測量，對于低頻被測信號具有較高的精度，但設(shè)計較為復(fù)雜.本研究所涉及的頻率測量范圍為200 Hz～10 k Hz，屬于低頻信號，因此可以采用高頻時鐘的方法對頻率進(jìn)行測量.

每種測量方法均存在2種具體的測量手段：一種是利用專用頻率計模塊來測量頻率，如ICM7216芯片，其內(nèi)部自帶放大整形電路可以直接輸入正弦信號，外部振蕩電路部分選用由一塊高精度晶振和2個低溫度系數(shù)電容構(gòu)成的10 MHz振蕩電路，其轉(zhuǎn)換開關(guān)具有0.01 s、0.1 s、1 s和10 s共4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；另一種方法是利用CPLD和MCU來實(shí)現(xiàn)頻率的測量，將被測信號通過模擬電路轉(zhuǎn)換為方波信號輸入EPM1270的某一I／O端口，在CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)頻率的采集，最后將計數(shù)值送入MCU處理并輸出至液晶予以顯示.比較2種測量手段，利用實(shí)驗室現(xiàn)有條件，本研究采用CPLD和MCU實(shí)現(xiàn)對被測信號頻率的測量.利用單片機(jī)控制計數(shù)器工作，硬件簡單且頻率測量精度高，這是目前較為成熟的一種高精度測頻方案.

3 方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)雙路同頻率正弦波信號相位差和頻率的測量.本研究采用數(shù)字鑒相技術(shù)在保持模擬式相位測試優(yōu)勢的同時，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于CPLD的低頻數(shù)字式相位測試儀.該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算控制電路和數(shù)據(jù)顯示電路3部分構(gòu)成，采用CPLD和AVR單片機(jī)相結(jié)合構(gòu)成整個系統(tǒng)的測控整體.CPLD主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)負(fù)責(zé)讀取CPLD采集的數(shù)據(jù)，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)作出相應(yīng)計算，并通過液晶將結(jié)果顯示出來.系統(tǒng)在保持模擬式相位測試優(yōu)點(diǎn)的同時，具有抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡單和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)［4－5］.

測量相位差的具體方法為：先通過比較電路將兩路同頻率正弦信號分別轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖信號將其中一路信號直接送入D觸發(fā)器，作為觸發(fā)信號；另一路信號通過反相器取反后與復(fù)位信號相與，將得到的結(jié)果送入D觸發(fā)器的清零端，由D觸發(fā)器輸出一脈沖信號，此脈沖波形的脈寬為t，經(jīng)過微處理器進(jìn)行相應(yīng)計算處理后得到兩信號的相位差［6－7］.

設(shè)計中頻率測量的具體方法是：被測信號轉(zhuǎn)換后形成脈沖信號，利用其上升沿觸發(fā)計數(shù)器對基準(zhǔn)時鐘開始計數(shù)，處于下降沿時則停止計數(shù)，所得計數(shù)為N，利用t＝N×T／2，f＝1／t，其中T為所用晶振的時鐘周期，利用單片機(jī)系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)該運(yùn)算式，即可求得頻率，并將運(yùn)算結(jié)果送液晶顯示.系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 System design diagram

3.2 硬件設(shè)計

3.2.1 模擬部分

模擬電路部分要將同頻率的兩路正弦信號轉(zhuǎn)換為方波輸出，電路采用電壓比較器LM393.LM393內(nèi)有2個電壓比較器，兩路信號分別接2個比較器同相輸入端，將反相輸入端接地，即構(gòu)成過零比較電路.

前級的射隨器采用LM353，其作用是提高輸入阻抗，提高負(fù)載.過零比較器使用芯片LM393來實(shí)現(xiàn)，該芯片性能較好，能夠有效提取正弦波的過零點(diǎn).選擇使用過零點(diǎn)這種判斷方法是因為正弦波在過零點(diǎn)的時候，斜率具有極大值，即使兩列正弦波幅度略有不同，也不會對測量結(jié)果造成過大影響，所以芯片上輸出口的上拉電阻主要用于控制高低電平輸出的大小.

圖2和圖3分別是A、B兩路同頻率正弦信號經(jīng)過模擬電路轉(zhuǎn)化為方波的電路圖，其中W31和W32同時接通時構(gòu)成跟隨器，W32和W34同時接通時構(gòu)成比例放大器.

圖2 A路信號的轉(zhuǎn)換電路圖Fig.2 Signal conversion circuit of A path

圖3 B路信號的轉(zhuǎn)換電路圖Fig.3 Signal coversion circuit of B path

3.2.2 部分參數(shù)選擇

整個電路設(shè)計中，參數(shù)的選取至關(guān)重要，CPLD中計數(shù)器的時鐘頻率要選擇恰當(dāng)，時鐘的脈寬要保證輸入方波信號的高電平時間Δt最小時存在計數(shù)值，即系統(tǒng)能夠采集Δt最小時的輸入信號；同時，還要保證Δt最大時，計數(shù)器存在計數(shù)值，即能夠采集到最大的相位差360°.根據(jù)相位誤差范圍的要求，計算 Δφ＝Δt／T×360°＝0.5°，當(dāng)T＝10 k Hz時，Δt＝0.139μs，分頻系數(shù)＝0.139／0.05＝2.78，故本設(shè)計采用2分頻.由于AVR單片機(jī)數(shù)據(jù)位的限制，最終得到下限頻率取200 Hz，此時，系統(tǒng)測量的展伸不確定度范圍符合設(shè)計要求.

3.3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Flow chart of software system

4 測試結(jié)果與分析

本研究使用模塊化的設(shè)計方法，所以軟件模塊和硬件模塊均首先各自獨(dú)立進(jìn)行調(diào)試，獨(dú)立調(diào)試通過后，再進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件綜合調(diào)試.

在調(diào)試輸入波形整形模塊時，首先檢查該模塊所有芯片的工作電壓是否正常，調(diào)整工作電壓后，再測試射隨器的輸出電壓，如果其輸出電壓正常，則測試過零比較器的輸出端，看其電壓是否正常；如果不正常，可以稍微調(diào)整負(fù)載電阻，使其輸出電壓正常.實(shí)驗所得數(shù)據(jù)均為正常情況下于實(shí)驗室中測試得出，測試結(jié)果如表1所示.由表1數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)可以測量一定頻率范圍內(nèi)2個同頻正弦信號之間的相位差，并能達(dá)到穩(wěn)定的測量精度（理論推算為0.5°，實(shí)際可達(dá)±3°）.

表1 系統(tǒng)所測頻率和相位差值Tab.1 Frequency and phase measured by this design

測試結(jié)果存在的誤差來源于所選基準(zhǔn)時鐘的準(zhǔn)確性以及采用軟件計數(shù)存在一定的延時.在實(shí)際應(yīng)用中，CPLD可采用更高的晶振頻率來增加頻率的測量范圍，并提高測量精度.

5 結(jié)論

本研究以微控制器ATmega 128和可編程邏輯器件EPM1270為核心，將單片機(jī)控制技術(shù)和電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation，EDA應(yīng)用技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，完成了低頻數(shù)字式相位測試儀的設(shè)計與制作.由于可編程邏輯器件可以完成較大且較為復(fù)雜的邏輯處理任務(wù)，而且它靈活方便，易于移植，可通用性強(qiáng)，因此系統(tǒng)主要的邏輯功能均在可編程邏輯器件內(nèi)部完成.本研究所設(shè)計的低頻數(shù)字式相位測試儀采用CPLD，外圍電路較為簡單，工作可靠，電路調(diào)試和維護(hù)簡單易行.

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Design and realization of low－frequency digital phase measuring apparatus

YINXiao－h(huán)ui，CHENJin，ZHANGBao－ju，WANGWei

（College of Physics and Electronic Information Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Based on the principle of zero－crossing，taking microcontroller ATmega128 and complex programmable logic device（CPLD）EPM1270 as the core，a system used for measuring the two－circuit frequency and low－frequency signal phase difference and the frequency of the measured signal is designed and realized.The data acquisition of the digital phase difference and the frequency is carried out in a piece of CPLD chip，and the system design is simplified.The system can measure the signal of frequency range of 200 Hz－10 k Hz.Compared with the traditional phase meter，the system has the advantages of simple hardware circuit，rapid speed and easy realization.

phase measurement；frequency measurement；CPLD；MCU；LCD display

TM932

A

1671－1114（2012）01－0039－04

2011－09－04

天津市自然科學(xué)基金資助項目（10JCYBJC00400）；天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金資助項目（52J10013）

尹曉慧（1987—），女，碩士研究生.

陳 勁（1976—），男，講師，主要從事測控技術(shù)和系統(tǒng)以及光電及聲學(xué)檢測技術(shù)方面的研究.

（責(zé)任編校 紀(jì)翠榮