【正文】 轉(zhuǎn)折頻率。根據(jù)公式 RCf ?2 1? C21 推導(dǎo)可得 CfR ?2 1? C22 取電容為 44 F? （由兩個(gè) 22F? 并聯(lián)），當(dāng)輸入 信號(hào)頻率為 100HZ 時(shí)，由公式 (C21)得， ??????? ? KR 1 9,取 R=36KΩ；當(dāng)輸入信號(hào)頻率為 1KHZ 時(shí)，同理可得， R= R=。從公式（ C22）中看到，輸入信號(hào)的幅度有所下降，所以在輸出后采用相同放大器，放大倍數(shù)為 2。實(shí)際測(cè)試時(shí)相位只有 43176。 ～ +45176。，誤差主要是電阻，電容誤差產(chǎn)生。調(diào)整滯后移相部分的電容為 54 F? ，超前移相部分的電容為30 F? ，實(shí)際測(cè)量移相 范圍為 51176。 ～ 50176。，交好滿足了題目要求，因?yàn)橐笞詈蟮妮敵鲂盘?hào)峰峰值在 1mV～ 200V 內(nèi)變換，因此最后接電位器進(jìn)行幅度衰減調(diào)節(jié)。 信號(hào)發(fā)生器 方案一：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成器，在通過移相網(wǎng)絡(luò)移相輸出。這種方法能快速實(shí)現(xiàn)頻率變換，具有低相位噪聲以及所以方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻，分頻，混頻和濾波及移相環(huán)節(jié)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，容易產(chǎn)生雜散分量，且難以實(shí)現(xiàn) 劉峰 基于單片機(jī)的相位差測(cè)試儀的研究 9 相位差 1176。的精度。 方案二：采用直接數(shù)字頻率合成（ DDFS）技術(shù)。 DDFS 的工作原理是用高速 ROM 存儲(chǔ)所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照 不同頻率要求，用頻率控制字 M為步進(jìn)對(duì)相量增量進(jìn)行累加，按照不同相位要求，用相位控制字 K調(diào)節(jié)相位偏移量，用累加相位值加上相位偏移量后作為地址碼讀取存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)。經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換，濾波即可得到所需波形。 DDFS 具有相對(duì)帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短，相位誤差小，合成波形失真度低的優(yōu)點(diǎn)。通過控制頻率控制字 M 和相位控制字 K，可以很方便實(shí)現(xiàn)頻率 10HZ 步進(jìn)和相位步進(jìn) 1176。但是因?yàn)橐酶咚?ROM 存放正弦波形數(shù)據(jù)，占用較多資源，同樣存在價(jià)格昂貴的情況。 方案三：采用集成函數(shù)發(fā)生器。集成函數(shù)發(fā)生器能夠很方便的產(chǎn)生所需 要的正弦波形，而且通過調(diào)節(jié)電阻的阻值可以調(diào)節(jié)輸出頻率的變化，穩(wěn)定性也不錯(cuò)。 通過比較上述三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，筆者決定采用第三種方案。 為了得到 20KHZ的方波脈沖，筆者應(yīng)用集成函數(shù)發(fā)生器 8038 并取電容 C為 1PF，變阻器的 RP RP2的最大值為 10KΩ。這樣就筆者得到所需要的方波脈沖 。 如圖 3所示。為了實(shí)驗(yàn)方便，筆者還用另外一片 8038作為所要檢測(cè)的信號(hào)的發(fā)生器（正弦波），產(chǎn)生 1HZ～ 1000HZ的正弦波，取 RP RP2的最大值為 1KΩ，電容 C為 1PF。 圖 3 方案細(xì)化 、數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x （ 1） 小信號(hào)處理部分 整體結(jié)構(gòu)圖 小信號(hào)部分主要由放大，放大限幅，電平轉(zhuǎn)換，數(shù)字整形四部分構(gòu)成。由于輸入的兩路信號(hào)幅度不確定，頻率不確定，邊沿不夠陡峭，而計(jì)數(shù)器和單片機(jī)測(cè)頻測(cè)相是相對(duì) TTL 劉峰 基于單片機(jī)的相位差測(cè)試儀的研究 10 電平（數(shù)字信號(hào)）進(jìn)行的，因此，我們必須對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大整形。電路及參數(shù)如圖4所示。 ΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩ 圖－ 4 如圖 4 所示 ,由放大器，高速比較器 LM311 、觸發(fā)器組成 . 它將被測(cè)移相網(wǎng)絡(luò)的輸入模擬待測(cè)信號(hào) U1 和被測(cè)移相網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào) U3 變成數(shù)字方波信號(hào) U2 和 U4 ,送至異或門處理 . 顯然 ,U1 和 U3 是同頻不同相的信號(hào) ,相應(yīng)信號(hào)的波形如圖 － 5 所示 . 電路中的運(yùn)放都采用 LF353，它有 10M帶寬， 很好地滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際測(cè)試中，在 30KHZ的情況下，輸入信號(hào)仍能很好的整形。 LP311為電壓比較器（過零比較器），起到把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)的作用，為后面的計(jì)數(shù)器工作做好準(zhǔn)備。而 74LS14為一施密特觸發(fā)器，可以消除數(shù)字波形中的毛刺，使波形穩(wěn)定。各主要相關(guān)元器件的管腳圖及功能介紹見附錄。 圖－ 5 劉峰 基于單片機(jī)的相位差測(cè)試儀的研究 11 信號(hào)發(fā)生器 正弦信號(hào)由集成函數(shù)發(fā)生器 8038 產(chǎn)生。其內(nèi)部原理電路圖如圖 6。 當(dāng)電位器 Rp1動(dòng)端在中間 位置，并且圖中管腳 8 與 7 短接時(shí)，管腳 3 和 2 的輸出分別為方波、三角波和正弦波。電路的振蕩頻率 f 為 [C(R1+RP1/2)] 。調(diào)節(jié) RP RP2可使正弦波的失真達(dá)到較理想的程度 為使輸入阻抗≥ 100KΩ，采用同相放大器，在輸入端并上一個(gè) 100KΩ的電阻，這樣就能滿足要求。 當(dāng) RP1動(dòng)端在中間位置，斷開管腳 8 與 7 之間的連線，在 +VCC與 VEE之間接一電位器，使其動(dòng)端與 8 腳相連，改變正電源 +VCC與管腳 8 之間的控制電壓（即調(diào)頻電壓），則振蕩頻率隨之變化，因此該電路是一個(gè)頻率可調(diào)的函數(shù)發(fā)生器。如果控制電壓按一定規(guī)律變化，則可構(gòu)成掃頻式函數(shù)發(fā)生器。 各管腳功能 見附錄 。 圖－ 6 劉峰 基于單片機(jī)的相位差測(cè)試儀的研究 12 原理圖分析及各參數(shù)設(shè)置 為了提高輸入阻抗和限制輸入幅度，在輸入端上并上一個(gè) R1=100KΩ的電阻和一組二極管（反相擊穿電壓為 ），這樣可以避免信號(hào)過多的衰減和因輸入過大而燒毀放大器。放大限幅分兩級(jí)，第一級(jí)采用同相放大器，放大的倍數(shù)取決于 R2 和 R3，第二級(jí)他的作用是限幅，起限幅作用的是穩(wěn)壓管 D1，為了使對(duì)正負(fù)信號(hào)都能通過和限幅，接了一橋式二極管電路。 由于要求把最小的信號(hào)（即 1mv）放大到 5V，則要求放大倍數(shù)為 5000 倍（即）。 21211 R UURU ?? 即11212 R RRUU ?? =5000 假設(shè) R1=1KΩ，則 R2=4999。在限幅方面，利用一個(gè)穩(wěn)壓管使電壓的幅價(jià)不超過 并利用橋式電路來防止電壓不會(huì)失真。 LP311 為電壓比較器使其參考電壓為零（過零比較器），起到把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)的作用，在電壓比較器 LP311 后面接了一個(gè)上拉電阻，提高它驅(qū)動(dòng)能力并為驅(qū)動(dòng)后面的芯片提供大的電流。 劉峰 基于單片機(jī)的相位差測(cè)試儀的研究 13 第三章 計(jì)數(shù)部分的構(gòu)成和原理 測(cè)相部分 測(cè)相原理 對(duì)于兩路輸入信號(hào)，在整形得到放波信號(hào)后，在異或門內(nèi)先對(duì)其進(jìn)行異或操作，再在計(jì)數(shù)器內(nèi)對(duì)異或后信號(hào)的脈沖 t 的寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)。測(cè)相框圖如圖 － 7其中 BENA 為計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)，當(dāng) BENA 為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng) BENA 為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。而 BENA 由輸入信號(hào) A和輸入信號(hào) B控制，兩路信號(hào)“異或”后控制 BENA。從圖 － 7 可知，測(cè)得的脈寬除以輸入信號(hào)的周期恰好為兩路輸入信號(hào)的相位差。 已知一個(gè)被測(cè)信號(hào)的周期為 T，設(shè)相位差為△ ? ，可得 △ ? =t/T 360176。 （ C1） 異或輸入信號(hào)輸入信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)清零信號(hào)計(jì)數(shù)器 圖 － 7 假設(shè)計(jì)數(shù)器計(jì)了 0N 個(gè)脈沖，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率 XF ，則 t= XFN/0 。所以計(jì)數(shù)器將脈寬 t 和 周期 T 的數(shù)值傳給單片機(jī)，即可換算求得相位差。這里所需要的是 t/T 比例，可以實(shí)現(xiàn)與相位無關(guān)的相位等精度測(cè)量，具體理論可以參考測(cè)頻部分。 電路結(jié)構(gòu) 由 4 個(gè) 74LS161 計(jì)數(shù)器組成 1個(gè) 16計(jì)數(shù)器（見圖 － 8），最大可以計(jì) 65535。它的單位誤差為 度并且它的性價(jià)比較 16 位高，這基本可以滿足測(cè)量精度的要求。函數(shù)發(fā)生起的頻率為 20KHZ，計(jì)數(shù)器最大可計(jì)數(shù)的值為 65535，最大可測(cè)量時(shí)間大于 1 秒，而所測(cè)信號(hào)的范圍在 1HZ ～ 1000HZ 之間，最大周期為 1 秒。因此即使在測(cè)周期為 1 秒的信號(hào)其，計(jì)數(shù)器 也不會(huì)益處。其中 HZ74LS161 的管腳圖見附錄 劉峰 基于單片機(jī)的相位差測(cè)試儀的研究 14 測(cè)頻部分 測(cè)頻原理 傳統(tǒng)測(cè)量方法中，測(cè)量精度受被測(cè)頻率得影響。由于待測(cè)信號(hào)得頻率范圍很大，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了一中測(cè)量精度與頻率無關(guān)的硬件等精度測(cè)量方法。原理如圖 － 9 清零信號(hào) 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器被測(cè)頻率預(yù)置門控制信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào) 圖 － 9 如圖 － 9 所示，預(yù)置門信號(hào)所一脈寬為 prF 的脈沖，計(jì)數(shù)器 BZQ 和 TSQ 都是可控計(jì)數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)從計(jì)數(shù)器 BZQ 得時(shí)鐘端輸入，其頻率為sF，經(jīng)整形后的信號(hào)從計(jì)數(shù)器 TF 得時(shí)鐘輸入端輸入，其頻率為 XEF ，測(cè)得為 XF 。當(dāng)預(yù)置門控信號(hào)為高電平時(shí)，經(jīng)整形后的被測(cè)信號(hào)的上升沿通過 D 觸發(fā)器的 Q端同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 BZQ 和 TSQ。計(jì)數(shù)器 BZH 和 TF 分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和整形后的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)預(yù)置門低信號(hào)為低電平時(shí)，經(jīng)整形過后的被測(cè)信號(hào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)器值為 SN ，由于兩組計(jì)數(shù)器同時(shí)工作，則得 到下面的公式： SSXX NFNF // ? （ C— 1— 2） 推導(dǎo) XSSX NNFF /)/(? （ C— 1— 3） 從上述公式我們可以看到，其測(cè)量精度與 SN 和標(biāo)準(zhǔn)頻率精度有關(guān)，而與被測(cè)信號(hào)無關(guān)。這就保證了在頻和高頻部分，頻率計(jì)的等精度。 電路結(jié)構(gòu) 測(cè)頻部分由 D 觸發(fā)器和計(jì)數(shù)器組成。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出“開始測(cè)量相位”命令，控制電路先輸出一個(gè)清零的脈沖，將計(jì)數(shù) 器清零，隨后并將門控制信號(hào)置為高電平。這時(shí) D 觸發(fā)器 劉峰 基于單片機(jī)的相位差測(cè)試儀的研究 15 的 Q 端為低電平，兩組計(jì)數(shù)器尚沒有計(jì)數(shù)。被測(cè)信號(hào)的上升沿到來時(shí)， D 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，其Q 為高電平， D 觸發(fā)器控制測(cè)頻部分的計(jì)數(shù)器同時(shí)工作，這就保證了測(cè)頻部分的兩組計(jì)數(shù)器能同時(shí)工作，這也是測(cè)頻部分原理的根據(jù)。 在計(jì)數(shù)器部分，因?yàn)?74LS161 是 4位的，一共有 16 個(gè)狀態(tài)，而筆者所需的兩個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器，所以測(cè)頻部分采用兩組計(jì)數(shù)器并且每組由四塊 74LS161 串聯(lián)而成，兩組共需 8 塊74LS161。這能很好的滿足設(shè)計(jì)精度要求，使系統(tǒng)誤差達(dá)到較小。每?jī)蓚€(gè)計(jì)數(shù)器連到一個(gè)三態(tài)總線控制數(shù) 據(jù)的輸出。另外，筆者還通過一個(gè) D 觸發(fā)器來判斷是 A 超前 B，還是滯后B。如圖 － 10，當(dāng)輸出 Q 為 1 時(shí)，則 A 超前 B，反之 B 超前 A。 待計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)完畢以后，由單片機(jī)控制不同的三態(tài)總線分時(shí)通過 P0 口獲得相應(yīng)的數(shù)字，這樣串行分時(shí)傳輸，缺點(diǎn)是增加了等待的時(shí)間。在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到頻率 f 和相位 。 信號(hào)信號(hào) 圖 － 10 整個(gè)計(jì)數(shù)過程由單片機(jī)進(jìn)行控制，考慮到性價(jià)比及誤差的要求范圍，在此選用 8051單片機(jī)芯片，在 8051 芯片中，由于 P0口經(jīng)常用做低 8 位地址線或數(shù)據(jù)線； P2 口用作高 8位地址線；而 P3 口的第二功能更為重要，多數(shù)口線要留作控制信號(hào)使用。這樣一來，只有 P1 口能作為真正的數(shù)據(jù) I/O口來使用。而在整個(gè)測(cè)相和測(cè)頻過程中，一共需要 10 根控制線， 8051 的 P1 口只有 8 位。在不更換芯片型號(hào)的情況下，可以擴(kuò)展 I/O 接口，或者譯碼器?？紤]到擴(kuò)展 I/O 接口不但會(huì)帶來硬件方面的工作量，同時(shí)在單片機(jī)還要對(duì)其進(jìn)行初始化處理，這降低了單片機(jī)的運(yùn)行速度。為次決定采用 74LS139 二 四譯碼器，它能使控制線恰好增加到 10 根。 74LS139 芯片管 腳圖 見附錄 。 這樣一來通過這 10 根控制線就可以控制計(jì)數(shù)器何時(shí)開始計(jì)數(shù)，何時(shí)清零了，何時(shí)讀數(shù)，可以使它們有條不紊的工作。為了使計(jì)數(shù)器輸出連接在一起而造成短路，于是在接入前串接一個(gè)三態(tài)門總線。 劉峰 基于單片機(jī)的相位差測(cè)試儀的研究 16 劉峰 基于單片機(jī)的相位差測(cè)試儀的研究 17 圖 － 8 劉峰 基于單片機(jī)的相位差測(cè)試儀的