低频数字式相位测试仪的研究
一、设计背景和意义：
相位测量技术的应用已深入到许多领域，广泛应用于国防、科研、学校和厂矿，传统相位测量使用的是指针式仪表，但随着电子技术的发展，数字显示相位仪不断涌现。

利用了51单片机的高速硬件捕获功能来实现频率和相位的测量;并利用A/D转换器对数据进行进一步的处理，在高低频段分别采用多次测量、滤波算法、矢量分解、便宜修正等算法消除干扰提高精度，采用大屏幕液晶显示测量详细信息;利用AVRmega8515配合16.384MHZ的高速晶振，采用软件DDFS实现双路数字式移相信号发生器，使用优化算法是当今科技发展对低频数字式相位测量仪的新要求。

二、设计的主要内容以及具体要求：
2.1设计的主要内容
低频数字是相位测量仪实际需要设计和制作的三个独立的部分：（1）数字相位测量仪；（2）数字式移相信号发生器；（3）移相网络。

本系统由两块独立的CPU组成。

本系统以51单片机以及可编程逻辑器件为核心，由模拟移相网络、数字式相位测量仪（含测频功能）、数字式移相位测量仪的核心为数字鉴相器及高速计数器，频率计采用高精度恒定误差测频法。

信号发生器使用直接数字频率合成（DDFS）技术，并使用汉字液晶显示模块，操作界面友好。

系统的测量精度及其它指标均达到了设计要求。

2.2设计的具体要求
（1）设计并制作一个相位测量仪
a．频率范围：20Hz～20KHz。

b．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V～5V范围内变化。

c. 相位测量仪的输入阻抗≥100K。

d. 相位测量绝对误差≤。

e. 具有频率测量及显示功能。

f. 相位差数数字显示：相位读数为～，分辨力为。

（2）移相网络
a．输入信号频率：100Hz，1K，10Kz。

b．连续相移范围：～
c. A`,B`输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。

十进制数字显示，显示刷新时间1～10秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。

三、设计的实现方案：
方案论证
数字移相技术的核心是：先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。

移相方案主要有以下几种。

方案一：利用D/A转换实现相移
图12 D/A转换移相框图
将正弦波信号数字化，并形一张数据表存入ROM芯片中，此后可通过两片D／A 转换芯片在单片机的控制下连续地循环输出该数据表，就可获得两路正弦波信号。

当两片D／A转换芯片所获得的数据序列完全相同时，则转换所得到的两路正弦波信号无相位差，称为同相。

当两片D／A转换芯片所获得的数据序列不同时，则转换所得到的两路正弦波信号就存在着相位差。

相位差的值与数据表中数据的总个数及数据地址的偏移量有关。

这种处理方式的实质是将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值。

此方案相位调节比较简单，但转换所用的数据为256个8位字长的数据，即一个信号周
期有256个转换值，输出信号的频率难以细调，特别是移相的最小单位太大(︒4.1／步)，不满足题目相位步进︒1要求。

方案二：加锁相环的基于单片机的移相电路
图13 方波移相框图
作为参考信号的A ，经整形后得到方波信号a ，再利用锁相技术对a 作3600倍频，并将此倍频信号作为单片机中CTC 的计数脉冲，以此来产生相移和测量移相的实际值。

在锁相环允许的频率范围内，计数脉冲始终是a 信号的3600倍，可以看成是将a 信号的一个信号周期分为了3600份，若一个信号周期为︒360，那么在一个信号周期内每个计数脉冲即代表︒1.0。

我们只需以a 信号为参考，延时若干个计数脉冲的时间来产生c 信号即可做到移相，改变延时计数脉冲的个数即可改变相位差，记录两个信号的上沿(或下沿)间的脉冲个数就获得两信号的相位差。

锁相环的存在，使得移相信号B 与参考信号A 的频率完全相同。

锁相环倍频的频率愈高则移相的最小单位愈小，若作7200倍频，那么在一个信号周期内每个计数脉冲即代表︒05.0。

此方案可实现高精度相位差步进（移相的最小单位可小于︒1.0／步），但锁相及波形变换电路的加入使得其硬件电路比较复杂，且高倍频锁相环的不稳定性，故不适合大赛现场制作。

但可以作为实际生产使用。

方案三：地址生成器与外ROM 构成的信号发生器
由于单片机速度的限制，为实现高频率信号的产生，此方案采用硬件电路实现波形输出原理框图如下：
图14 自动波形输出电路框图
将正弦波的采样点存在外ROM 中，当单片机向地址发生器发出控制信号后，地址发生器便以输入数值为初始值进行地址累加。

外ROM 便根据输入的地址输出存储的正弦波，再经D/A 转换和整流电路后，输出模拟正弦波A 。

同理另一通道输出同频正弦波B 。

改变单片机的发控制信号的时间就改变了输出信号的频率，改变两个地址生成器的初始地址，就改变了输出信号的相位差。

电路图见附录。

另外应用可编程器件ispLSI 进行移相信号发生器设计，是一个非常好的方案，可以达到很高的技术要求。

其优点是结构简单，速度快，能实现较高频率信号的发生（单片机由于自身运行速度的限制，很难达到较高频率）。

但考虑到实践中对可编程器件接触较少，操作不熟练，又因为设计的一些功能用单片机控制比较方便并易于实现，加之对单片机的性能比较熟练，故本次设计仍采用方案三，用单片机来完成任务要求。

四、工作进度安排
1) 2月27日-3月2日前，指导老师登陆论文网，查看任务书。

2) 3月5日-3月16日：查阅资料准备开题报告
3) 3月15-19日：撰写开题报告
4) 3月19日：进入实验室
5) 4月16-4月19日：完成设计，仔细调试，避免问题出现。

6) 6月6日-6月8日：成果验收
7) 6月8日：退出实验室，上交论文
8) 6月11日：准备答辩
五、参考资料
1. 刘海成．单片机及应用系统设计原理与实践[M]．北京航空航天大学出版社，2009
2. （日）内山明智，村野靖．运算放大器电路[M]．科学出版社，2009
3. 田立，马鸣鹤．51系列单片机开发实例精解[M]．中国电力出版社，2009
4. 王守中, 聂元铭．51单片机开发入门与典型实例[M]．人民邮电出版社，2009
5.张华林, 周小方．电子设计竞赛实训教程[M]．北京航空航天大学出版社，2007。