相位差測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路

車翼飛

(黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院 信息學(xué)院，哈爾濱 150088)

相位差測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路

車翼飛

(黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院 信息學(xué)院，哈爾濱 150088)

為精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻率信號(hào)的相位差，設(shè)計(jì)一種基于DSP的相位差測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DSP2812作為測(cè)量的主控芯片，其內(nèi)部集成有捕獲單元和A/D模塊;運(yùn)用信道交換技術(shù)和降頻技術(shù)，消除通道帶來的附加相移，并將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為低頻信號(hào)以便于測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明，兩路輸入信號(hào)相同時(shí)，輸入信號(hào)頻率過大或是過小，測(cè)量頻率和相位的精度均會(huì)明顯降低，幅值精度變化不大;兩路輸入信號(hào)峰值、頻率相同，相位可變時(shí)，信號(hào)頻率增加或信號(hào)幅值過小，系統(tǒng)的測(cè)量精度均會(huì)有所下降。該相位差測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)兩路同頻信號(hào)的幅值、頻率和相位差的精確測(cè)量，且可以進(jìn)一步擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)相位差的測(cè)量。

相位差測(cè)量;降頻電路;信道交換;DSP

相位差即兩個(gè)同頻率信號(hào)之間的相位差值，是電氣測(cè)量的基本內(nèi)容之一［1］。相位差測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，尤其是電氣電子測(cè)量及非電量測(cè)量方面。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有相位差測(cè)量?jī)x已不能滿足應(yīng)用要求［2］，存在測(cè)量精度低［3］，儀器種類少、功能單一［4］、體積大等不足［5］。因此，迫切需要一種在寬頻帶范圍內(nèi)測(cè)量精度高、功能多樣化、方便攜帶的相位差測(cè)量?jī)x。為解決這一問題，筆者設(shè)計(jì)了一種基于DSP的相位差測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在低頻范圍內(nèi)對(duì)兩路同頻正弦信號(hào)的相位差、頻率和幅值的精確測(cè)量。

1 相位差測(cè)量系統(tǒng)

1.1 總體設(shè)計(jì)

相位差測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路、半波精密整流電路、放大電路、多路模擬開關(guān)、降頻電路、整形電路、相位超前滯后判斷電路、DSP、顯示器組成。

圖中X1和X2為兩路同頻率的待測(cè)正弦交流信號(hào)。DSP2812中集成的A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入電壓范圍是0～3 V，當(dāng)待測(cè)信號(hào)幅值大于3 V或比較微弱時(shí)，需要進(jìn)行適當(dāng)衰減或放大，才能保證測(cè)量精度［6］，因此，該測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路。根據(jù)輸入信號(hào)的幅值大小，自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路中的程控放大電路會(huì)選用合適的放大系數(shù)對(duì)輸入信號(hào)幅值進(jìn)行放大或衰減，但其輸出信號(hào)是幅值為0.3～3 V的正弦交流信號(hào)，必須對(duì)該輸出信號(hào)整流使其變?yōu)閱螛O性信號(hào)才能送入到A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行幅值測(cè)量，因此在程控放大電路后加入半波整流電路。測(cè)量系統(tǒng)對(duì)高頻信號(hào)和低頻信號(hào)采用不同的測(cè)量通道，測(cè)量通道的變換由多路模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn):當(dāng)輸入的待測(cè)信號(hào)為低頻信號(hào)時(shí)，直接由整形電路整形后輸入DSP進(jìn)行相位差測(cè)量;當(dāng)輸入的待測(cè)信號(hào)為高頻信號(hào)時(shí)，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行降頻處理［7］，之后再對(duì)信號(hào)整形，最后輸入到DSP進(jìn)行相位差測(cè)量。由于DSP中的捕獲單元只能捕獲0～3 V的方波信號(hào)，因此采用整形電路將正弦信號(hào)整形為方波信號(hào)。圖1中的D觸發(fā)器用于判斷兩路待測(cè)信號(hào)相位的超前滯后關(guān)系。兩路待測(cè)信號(hào)經(jīng)過各自的通道后會(huì)產(chǎn)生附加的相位差，系統(tǒng)采用信道交換技術(shù)來消除。

圖1 相位差測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Phase difference measurement system

1.2 硬件電路

1.2.1 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路

自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路由程控放大電路和DSP控制組成，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換原理框圖Fig.2 Principle chart of range automatic switch

程控放大電路由集成運(yùn)放AD8066和多路模擬開關(guān)CD4052組成，其增益由多路模擬開關(guān)的控制端來控制。如圖3所示，程控放大電路的增益分為10、1、1/10三個(gè)檔，相應(yīng)的可將待測(cè)信號(hào)分為0.03～0.3、0.3～3、3～30 V三個(gè)量程范圍，若待測(cè)信號(hào)處于這三個(gè)量程范圍中，只要選擇合適的放大或衰減系數(shù)，輸出信號(hào)的幅值范圍均為0.3～3 V。

圖3 程控放大電路Fig.3 Program-controlled amplification circuit

圖4為圖3所示的程控放大電路簡(jiǎn)化后的等效電路圖，其中Ron1和Ron2分別是兩個(gè)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通通道的導(dǎo)通電阻。根據(jù)“虛短”、“虛斷”原則，Uo=Un，Un=Up，Up=U1，可得出Uo=U1，即多路模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻對(duì)電路基本不造成影響。因此，

由式(1)可知，當(dāng)R1為固定值時(shí)只要不斷改變反饋電阻RF就可使程控放大電路的增益改變。

圖4 程控放大電路的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of program-controlled amplification circuit

1.2.2 半波整流電路

圖5為半波精密整流電路。該電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，而且輸出保留輸入電壓的形狀，如圖6所示。

圖5 半波精密整流電路Fig.5 Half-wave precision rectifier circuit

圖6 半波精密整流電路的波形Fig.6 Waveform of half-wave precision rectifier circuit

1.2.3 放大電路

圖7 放大電路Fig.7 Amplifier circuit

1.2.4 降頻電路

降頻電路主要功能是將兩路高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩路低頻信號(hào)而不影響它們之間的相位差，該電路主要由多路模擬開關(guān)CD4052、電壓跟隨器、低通濾波器組成，如圖8所示。

圖8 降頻電路Fig.8 Frequency reduction circuit

考慮到低通濾波器的性能直接影響相位差測(cè)量系統(tǒng)的精度和測(cè)量范圍［8］，這里的低通濾波器采用二階低通濾波器。該濾波器能夠在阻帶內(nèi)提供－40 dB/10倍頻的衰減速率，而一般的濾波器只能夠提供－20 dB/10倍頻的衰減速率，另外，它可以使信號(hào)在濾波的同時(shí)放大，為整形電路整形作準(zhǔn)備。R16、R17、C1和C2值的選取根據(jù)實(shí)際電路特性確定。

實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，測(cè)量電路在1 kHz時(shí)測(cè)量精度比較高，理論上此低通濾波器截止頻率應(yīng)設(shè)計(jì)為1 kHz，考慮濾波器實(shí)際衰減特性及實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)將截止頻率設(shè)計(jì)為500 Hz。

1.2.5 整形電路

由于DSP的捕獲單元只能捕獲輸入信號(hào)的上升沿或下降沿，因此需要將正弦信號(hào)整形為方波信號(hào)。圖9所示的整形電路可將輸入的正弦信號(hào)整形為幅值3.3 V、占空比50%的方波信號(hào)。

圖9 整形電路Fig.9 Shaping circuit

整形電路采用集成運(yùn)放LF353組成過零比較器，當(dāng)輸入信號(hào)Ui＞0時(shí)，集成運(yùn)放輸出高電平;當(dāng)輸入信號(hào)Ui＜0時(shí)，集成運(yùn)放輸出低電平。由于LF353的供電電壓為±5 V，所以LF353輸出的方波信號(hào)高電平為+5 V，低電平為－5 V，且不能直接送入到DSP進(jìn)行測(cè)量，還需要對(duì)方波進(jìn)行處理。利用二極管的單向?qū)ㄐ詫⒎讲ǖ呢?fù)電平處理掉，再采用電阻分壓對(duì)高電平進(jìn)行衰減，可以得到高電平為3.3 V的方波信號(hào)(圖10)，此方波可以直接送入DSP進(jìn)行處理。

圖10 整形電路的輸入輸出波形Fig.10 Input and output waveforms of shaping circuit

1.2.6 相位超前滯后判斷

如圖1所示，在整形電路后加一個(gè)D觸發(fā)器74HCT74用于判斷兩路待測(cè)信號(hào)相位的超前滯后關(guān)系。整形得到的方波信號(hào)X4作為D觸發(fā)器時(shí)鐘脈沖，X3作為D觸發(fā)器的輸入信號(hào)。如圖11所示，當(dāng)X3的相位超前于X4相位0°～180°時(shí)，D觸發(fā)器的Q輸出端為高電平;當(dāng)X3的相位超前于X4相位0°～－180°時(shí)，D觸發(fā)器的Q輸出端為低電平。DSP通過檢測(cè)D觸發(fā)器的Q端就可以判斷兩路待測(cè)信號(hào)在－180°～+180°內(nèi)的相位差。

圖11 相位關(guān)系判斷波形Fig.11 Waveform of phase relation judgment

1.2.7 附加相移的消除

在相位差測(cè)量中，兩路輸入待測(cè)信號(hào)需要進(jìn)行放大、濾波、整形等，而通道中的元件和集成電路芯片不可能完全相同，因此造成了通道的不完全對(duì)稱［9］。兩個(gè)被測(cè)信號(hào)經(jīng)過不對(duì)稱的通道后會(huì)產(chǎn)生附加的相位差，而影響系統(tǒng)測(cè)量精度［10］。為了消除這一影響，采用信道交換技術(shù)來消除附加相移。

由圖1所示，對(duì)于低頻信號(hào)，S1S0分別為00和10時(shí)實(shí)現(xiàn)了通道的交換;對(duì)于高頻信號(hào)，S1S0分別為01和11時(shí)實(shí)現(xiàn)了通道的交換。具體方法為:低頻信號(hào)通道，可以先將S1S0端設(shè)置為00，測(cè)量相位差，然后再將S1S0設(shè)置為10再次測(cè)量相位差，求得兩次測(cè)量結(jié)果平均值便得到兩路待測(cè)信號(hào)之間的相位差θ，這樣測(cè)量結(jié)果不再受附加相移影響。高頻信號(hào)測(cè)量通道也采用同樣方法，這里不再重復(fù)。

采用信道交換技術(shù)不僅可以提高系統(tǒng)的測(cè)量精度而且不需要任何額外的硬件電路，只需要軟件控制就可以實(shí)現(xiàn)［11］。

2 系統(tǒng)測(cè)試

用DDS信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路頻率和相位可變的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)來測(cè)試相位差測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際性能。

實(shí)驗(yàn)一:兩路輸入信號(hào)為同一路正弦信號(hào)，即兩路信號(hào)之間的相位差為零。輸入信號(hào)的峰峰值Vp－p=8 V，相位差θ=0°，不斷改變其頻率，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，其中，θ'為測(cè)量相位差，Up－p為測(cè)量幅值，f為實(shí)際頻率，f'為測(cè)量頻率。

表1 輸入同一信號(hào)的測(cè)試結(jié)果Table 1 Results of testing same input signal

從表1可以看出，輸入信號(hào)頻率過大或是過小，頻率測(cè)量和相位測(cè)量的精度都會(huì)明顯降低，幅值測(cè)量的精度也會(huì)受到影響，但是變化不是很大。

實(shí)驗(yàn)二:輸入兩路頻率相同、相位可變的正弦信號(hào)。該實(shí)驗(yàn)分為兩組，第一組測(cè)試峰峰值 Vp－p= 8 V，頻率分別為10和50 kHz的正弦信號(hào)，第二組測(cè)試峰峰值Vp－p=2 V，頻率分別為10和50 kHz的正弦信號(hào)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，當(dāng)測(cè)量峰值一定，輸入信號(hào)頻率增加時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量精度會(huì)有所下降。當(dāng)信號(hào)幅值過小時(shí)，測(cè)量精度也會(huì)下降。

由上述分析可知，該相位差測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)幅值、頻率及相位差的測(cè)量，但系統(tǒng)也存在一定的測(cè)量誤差，這些誤差主要來源于以下幾方面:一是系統(tǒng)兩路通道不完全對(duì)稱引入的誤差;二是噪聲干擾引入的誤差;三是量化誤差;四是測(cè)試信號(hào)引入的誤差。實(shí)際運(yùn)用過程中，可以通過利用軟件進(jìn)行誤差補(bǔ)償、采用濾波去除信號(hào)噪聲、使用位數(shù)更高的A/D芯片等措施降低系統(tǒng)測(cè)量誤差。

表2 不同輸入信號(hào)的測(cè)試結(jié)果Table 2 Results of testing different input signal

3 結(jié)束語(yǔ)

基于DSP的相位差測(cè)量系統(tǒng)，采用程控放大電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展了輸入信號(hào)的幅值范圍。采用新的降頻方法測(cè)量高頻信號(hào)的相位差，利用信道交換技術(shù)消除附加相位差，提高了相位差的測(cè)量精度。該設(shè)計(jì)利用DSP2812的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)了幅值、頻率及相位差的同時(shí)測(cè)量，合理利用了資源，簡(jiǎn)化了硬件電路，為傳統(tǒng)相位計(jì)的功能擴(kuò)展提供了可能，同時(shí)很好地解決了現(xiàn)有相位差測(cè)量?jī)x存在的問題。隨著相位差應(yīng)用范圍的廣泛以及DSP技術(shù)的發(fā)展，相位差測(cè)量?jī)x的各項(xiàng)指標(biāo)會(huì)提高，功能也將多樣化。

［1］丁英麗.相位差的測(cè)量方法［J］.本溪冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002，4(2):20－21.

［2］賈惠芹，郭恩全，張衛(wèi)東.基于鎖相環(huán)的相位差測(cè)量?jī)x［J］.自動(dòng)化儀表，2006，27(10):64－66.

［3］董繼承，陳 明.相位差的幾種測(cè)量方法及對(duì)比研究［J］.科技信息，2007，7(5):29－31.

［4］鄧祖樸.同頻信號(hào)相位差的高精度檢測(cè)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2009，26(7):2661－2663.

［5］MA JUNRAN，ZHANG CHUNXI.FPGA-based waveform generator with DDS［J］.Electronic Measurement Technology，2011，29 (4):78－79.

［6］MOREIRA J C，HUNG K T，LIPO T A，et al.A simple and robust adaptive controller for detuning correction in field oriented induction machines［J］.IEEE Trans Ind Applicat，1992，36(7): 1359－1366.

［7］MICHELETTI R.Phase angle measurement between two sinusoidal signals［J］.IEEE Trans Instrum Meas，1991，40(1):40－42.

［8］王秀霞.高精度相位計(jì)的研究與設(shè)計(jì)［D］.燕山:燕山大學(xué)，2004:1－5.

［9］翟勝偉，李穎穎，都佰勝.DDS信號(hào)源的FPGA實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2009，17(4):45－46，49.

［10］盛春波.電力系統(tǒng)中相位測(cè)量的研究［D］.燕山:燕山大學(xué)，2006.

［11］李 璐.基于DSP的SPWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)方法［J］.硅谷，2011 (4):75，108.

Hardware circuit desing of phase difference measurement system

CHE Yifei
(College of Information，College of Heilongjiang Agricultural Vocational Engineering，Harbin 150088，China)

For accurate measurement of the phase difference of the two same-frequency signals，a kind of phase difference measurement system based on DSP is designed.As the main control chip in the system，DSP2812 integrates capture unit and A/D module;Channel exchange technology and frequency reduction technology are used to eliminate additional phase shift by channel，and convert high frequency signals to low frequency signal before being measured.The test results show that the two input signals are the same，if the input signal frequency is too large or too small，the accuracy of measuring frequency and phase will be significantly reduced，little change in amplitude accuracy;two peak input signal，the same frequency，the phase can be changed，the increase in signal frequency or signal amplitude is too small，the system accuracy will decline.Experimental results show that the phase difference measurement system can well measure amplitude frequency and phase difference of two input signals with the same frequency.The system can also be further extended to realize to phase difference measurement of multi-channel signals.

phase difference measurement;frequency reduction circuit;channel exchange;digital signal processing

TM933.312

A

1671－0118(2012)02－0187－05

2012－02－21

車翼飛(1980－)，女，吉林省長(zhǎng)春人，講師，碩士，研究方向:電子信息工程，E-mail:cheyifei62@sohu.com。

(編輯荀海鑫)