低频数字式相位测量仪(缪学进)

低频数字式相位测量仪（C题）一、任务设计并制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部份，示用意如下：二、要求1、大体要求（1）设计并制作一个相位测量仪（参见图1）a．频率范围：20Hz～20kHz。

b．相位测量仪的输入阻抗≥100k。

c．许诺两路输入正弦信号峰-峰值可别离在1V～5V范围内转变。

d．相位测量绝对误差≤2°。

e．具有频率测量及数字显示功能。

f．相位差数字显示：相位读数为0o~，分辨力为°。

（2）参考图2制作一个移相网络a．输入信号频率：100Hz、1kHz、10kHz。

b．持续相移范围：－45°～＋45°。

c．A＇、B＇输出的正弦信号峰-峰值可别离在～5V范围内转变。

2．发挥部份（1）设计并制作一个数字式移相信号发生器（图3），用以产生相位测量仪所需的输入正弦信号，要求：a．频率范围：20Hz～20kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。

b．A、B输出的正弦信号峰-峰值可别离在～5V范围内转变。

c．相位差范围为0～359°，相位差步进为1°，相位差值可预置。

d．数字显示预置的频率、相位差值。

（2）在维持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输入正弦电压峰-峰值至～5V范围。

（3）用数字移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位差值和不同幅度进行校验。

（4）其它。

三、评分标准四、说明1、移相网络的器件和元件参数自行选择，也能够自行设计不同于图2的移相网络。

2、大体要求（2）项中，当输入信号频率不同时，许诺切换移相网络中的元件。

3、相位测量仪和数字移相信号发生器相互独立，不许诺共用操纵与显示电路。

低频数字式相位测量仪简单介绍相位差的测量在自动控制以及通讯电子等领域有着非常广泛的应用。

如水深测量、电磁波测量、电力系统的相位检测装置、激光测量等。

目前常用的低频数字式相位测量仪方法是将输入的两路信号经过某种处理将其变成方波，再通过比较这2路方波计算出相位差脉宽，最后通过用高频脉冲填充相位差，这个过程就实现了相位差的测量。

1、低频相位测量仪的意义大家都知道相位是交变信号三要素（频率伏值相位）之一，而相位差则是研究两个相同频率交流信号之间关系的重要指标。

相位差是测量两个同频率周期信号的相位差值。

相位计就是测量相位差的仪器,低频数字式相位测量仪就是专门测量低频信号的相位差，一般频率是100Hz以内的正弦频率信号，高精度相位计一般是指测量精度特别高，一般测量精度在0.2度以内。

低频数字式相位测量仪的工作原理和误差源就是设计低频数字式相位测量仪必须了解的内容。

2、低频数字式相位测量仪测试方法（1）示波器法示波器法是把两个被测信号同时加到双踪示波器的两个Y通道，直接进行比较，根据两个波形的时间间隔△T与波形周期T的比，计算相位差Φ。

示波器测量相位差缺点是精度不高。

（2）零示法零示法其实是将被测信号和可变移相器串联然后和另一同频率信号同时加在相位比较器如示波器、指示器等上，调节可变移相器，使比较器指示零值相位，则移相器上的读值即为两信号间的相位差。

这种测量方法的精度决定于所使用的移相器的精度，一般达十分之几度。

（3）直读式相位计法直读式相位计最大的优势就是可以直接读取相位差。

同事其测量速度也比较快，还能显示相位变化。

一般而言直读测量相位差的方法有：数字式直读相位计法、矢量电压表法相敏检波器法和环形调制器法。

其中前两种是目前低频数字式相位测量仪测试方法中最常见的，具体测试方法如下：a、数字式直读相位计法测量相位差的基本原理与测量时间间隔大体相同，见时频测量。

即将被测两信号电压经过脉冲形成电路，变换成尖脉冲，去控制双稳态触发器，由此产生宽度为△T的闸门信号。

1. 基于单片机汽车防盗报警系统设计（字数：18145,页数:572. 光学衍射仿真实验系统（字数:9381,页数:403. 基于单片机的音乐存储播放器设计（字数:19557,页数:71 ）4. 低频数字式相位测量仪（字数:11601,页数:31 ）5. 简易数字存储示波器（字数:15560,页数:386. 基于组态软件的测控系统设计（字数:27507,页数:467. 基于PC机的防盗报警系统设计（字数:13123,页数:35）8. 弯管机电机转速测控系统的研制（字数:10961,页数:25）9. 基于单片机智能火灾报警器设计（字数:17817,页数:50 ）10. 开关稳压电源设计（字数:11048,页数:40）11. 基于单片机的无功补偿的设计（字数:14963,页数:55 ）12. 浮尘含量检测系统的LabVIEW 数据采集分析软件设计（字数:13877,页数:3213. 便携式高清晰数字无线监控系统---- 接收单元硬件设计（字数:15075,页数:41 ）14. 数控高精度直流电源（字数:24333,页数:52）15. 音频信号分析仪设计（字数：11603,页数:32）16. 基于MATLAB 的图像处理平台开发（字数:14101,页数:4817. I2C总线温度传感系统（字数:11775,页数:40 ）18. 基于Java的企业管理系统设计（字数:10770,页数:3819. 自动化立体仓库岀入库检测控制系统的研究（字数:20729,页数:3520. 基于单片机的遥控调光灯系统设计（字数:11107,页数:32 ）21. 电动工具（吸尘器）的生产和检验（字数:13916,页数:3122. 三相正弦波变频电源设计（字数:12826,页数:43 ）23. 基于单片机的温度报警器设计（字数:10257,页数:30）24. 基于LabVIEW 的直流电机转速检测系统设计（字数:8497，页数:50 ）25. 智能仪器的USB接口设计（字数:11943,页数:41 ）26. 基于RFID技术的Mifare1卡读写器的设计（字数:17364,页数:4327. 基于TUBE DB的弯管装备的信息管理系统设计（字数:16702,页数:57 ）28. 智能建筑的视频监控系统设计（字数:22567,页数:38 ）29. 基于单片机的智能电表设计（字数:29991,页数:64 ）30. 轴承加热器温度控制方案研究（字数:12214,页数:35）31. 基于LABVIEW 的湿度测量仪设计（字数:12835,页数:37 ）32. 基于Labview的温度信号采集系统设计（字数:20192,页数:47）33. 浮尘含量检测系统的信号调理设计（字数:12414,页数:3334. 洗衣机的智能控制系统设计（字数:13185,页数:3335. 基于Labview的电机起动过程的观测与分析（字数:11851,页数:2536. 基于ARM 微处理器的三相逆变电源设计（字数:15309,页数:61）37. 基于ST7540的多频率电力线通信系统设计（字数:13600,页数:53）38. 面向数控装备的嵌入式测控系统的硬件系统的研究（字数:14003,页数:40）39. 基于单片机的载波通信系统设计（字数:15638,页数:80）40. 正弦脉宽调制波SPWM的仿真优化（字数:14306,页数:52 ）41. 基于LabVIEW 的海水温度测量系统设计（字数:14234,页数:42 ）42. 基于MATLAB 的数字图像处理应用（字数:16456,页数:42 ）43. 基于Struts的连锁店管理系统（字数:17140,页数:6044. 简易波形发生器的设计（字数:13574,页数:3645. 基于ARM的电流互感器特性测试仪设计（字数:13659,页数:51 ）46. 基于LIN总线的司机座椅控制器设计（字数:15325,页数:44）47. 酒精浓度检测仪的设计（字数:12127,页数:44）48. 某办公大楼综合布线系统设计（字数:11971,页数:2649. 楼宇综合布线系统设计（字数:13355,页数:2650. 用电智能电动装置设计（字数：13765,页数:38 ）51. 单片机在点钞机中的应用（字数:7658,页数:42 ）52. 基于单片机的温度测控系统设计（字数：25122,页数:71）53. 全站型电子速测仪的使用和检验（字数:9708,页数:3454. 标准电阻自动巡检装置设计（字数：10494,页数:34 ）55. 基于施耐德Premium PLC的水厂自动控制系统的设计（字数:11249,页数:35 ）56. 造纸过程DCS控制方案设计（字数:20602,页数:31 ）57. 住宅建筑电气与智能化系统设计（字数:16501,页数:33 ）58. 多层住宅建筑电气系统设计（字数:18116,页数:32 ）59. 某住宅小区智能监控系统设计（字数:14482,页数:2760. 轴承加热器温度传感器研制与参数校正（字数:13385,页数:38 ）61. 基于单片机的数字直流电位差计的设计（字数:17221,页数:37 ）62. 电加热器温控设计（字数:11159,页数:34 ）63. 基于VC + +的云台控制系统开发设计（字数:12017,页数:40 ）64. 基于神经网络的字符识别研究（字数:21735,页数:41 ）65. 高稳定性卤钨灯光源的研制（字数:10179,页数:34）66. 弯管角度非接触测量系统的设计（字数:12693,页数:23 ）67. 智能照明节电器的设计（字数:13120,页数:32 ）68. 基于AD590的火灾报警系统的设计（字数:9640,页数:2469. 智能门锁系统（字数:14339,页数:39 ）70. 车载GPS的设计（字数:18585,页数:35 ）71. 蒸煮过程温度程序控制（字数:14602,页数:3572. 注塑机操作规范与成型工艺设计（字数:21561,页数:42 ）73. 基于SQL数据库的测控信息平台的研制（字数:13015,页数:35 ）74. 基于VC++云台串口控制设计（字数:15682,页数:55 ）75. 基于虚拟仪器的微位移测量系统的研制（字数:11516,页数:24 ）76. 基于单片机的函数信号发生器设计（字数:11150,页数:32 ）77. 集成运放综合参数测试仪（字数:13418,页数:36 ）78. 面向化工产品检测技术的研究（字数:15650,页数:3479. 近红外光谱仪光电信号采集电路设计（字数:13554，页数:32）80. 吸烟式火灾报警器系统设计（字数:11629,页数:34 ）81. 基于虚拟仪器的可编程智能电池参数实时监控系统设计（字数:15270,页数:28 ）82. 杭州某化纤厂太阳能热水控制系统设计（字数:16902,页数:43）83. 基于VC++的数据库报表的开发（字数:12752,页数:50 ）84. 红外遥控温度报警器（字数:12376,页数:32）85. 程控滤波器设计（字数:12387,页数:37 ）86. 基于PSpice的电路仿真（字数:10671,页数:3587. 基于单片机的太阳能热水器控制系统设计（字数:14892,页数:50）88. 开放式控制器与多种检测元件的匹配问题的研究（字数:10864,页数:29 ）89. 基于IMAQ的弯管角度测量系统的研制（字数:10452,页数:2290. 智能电能表及手持抄写器设计（字数:30248,页数:48）91. 直流无刷电机精密转速控制（字数:13891,页数:25 ）92. 基于单片机的LED点阵电子显示屏设计（字数:9975,页数:31 ）93. 面向数控装备的嵌入式测控系统的软件系统研究（字数:16869,页数:3694. 周期信号软件同步采样方法的研究（基于Matlab ）（字数:11627,页数:2795. 基于LABVIEW 的滤波器设计（字数:10359,页数:3096. 简易数字频率计的设计（字数:10394,页数:31 ）97. 基于LabVIEW的直流电机控制系统设计（字数:15841,页数:37）98. 基于ARM 微处理器的电参数测量设（字数:17063,页数:48 ）99. 基于旋转编码器的转速检测系统的设计（字数：11133,页数:27100. 基于MatLAB的电路仿真（字数:11036,页数:35101. 简易逻辑分析仪（字数：20430,页数:49）102. 基于C#的数字图像处理应用设计（字数：14955,页数:33103. 简易综合测试仪（字数:14702,页数:41）104. 数据采集与传输系统设计（字数：11683,页数:33）105. 基于Matlab的电力系统谐波分析研究（字数:19905,页数:46 ）106. 盛丝桶往复机电气控制系统设计（字数:22422,页数:42107. 自动络筒机电气控制系统设计（字数:25183,页数:42108. 冷媒自动填充机电气控制系统设计（字数:27579,页数:46109. 四工位组合机床电气控制系统设计（字数:18706,页数:32110. 机械手定位系统电气控制设计（字数:18830,页数:38111. 呢料预缩机电气控制系统设计（字数:25610,页数:43112. 自动配色机电气控制系统的设计（字数:21098,页数:42113. 收卷机电气控制系统设计（字数:24950,页数:44114. 自动过滤机电气控制系统设计（字数:26614,页数:44115. 自动供料装置电气控制系统设计（字数:24876,页数:41116. 成型机电气控制系统设计（字数:19368,页数:38117. 油锅炉供热电气控制系统设计（字数:21608,页数:38118. 螺杆挤岀机电气控制系统设计（字数:20902,页数:40119. 自动喂粕系统电气控制设计（字数:17133,页数:38120. 输送机电气控制系统设计（字数:23486,页数:43121. 染色机电气控制系统设计（字数:29748,页数:42122. 基于虚拟仪器的振动测试系统的设计（字数:18706,页数:51123. 基于噪声信号源的声学测距系统的设计（字数:22913,页数:57）124. 光纤测振仪的设计（字数:24934,页数:63 ）125. 基于DS18B20的多点温度测量系统的研究（字数:19388,页数:61126. 基于混沌与分形理论的表面肌电信号非线性分析（字数:19337,页数:55 ）127. 基于聚类分析的生物电信号模式识别的研究（字数:24345,页数:78128. 基于线性判别函数和非线性判别函数的肌电信号的识别方法（字数:30214,页数:94 ）129. 基于虚拟仪器技术的步进电机控制系统设计（字数:18121,页数:43130. 基于虚拟仪器技术的加热炉温度控制系统设计（字数:15881,页数:35 ）131. 简频率特性测试仪设计CK026 （字数:22796,页数:59 ）132. 声波测距仪（字数:19651,页数:46133. 微机原理CAI课件设计（字数:18399,页数:36134. 小波变换与人工神经网络在肌电信号模式识别中的应用（字数:20750,页数:41 ）135. 压电测振仪的设计（字数:27021,页数:67价格:¥ 108.00）136. 液体包装机电气系统的PLC控制（字数:17359,页数:47 ）137. 液体包装机电器系统的PLC控制系统（字数:18806,页数:39 ）138. 用VB建立传感器技术课程习题库（字数:17791,页数:56139. 基于GSM/CDMA 的防盗报警系统（字数:14186,页数:40140. 基于网络控制的温度远程自动控制系统的设计（字数:23077,页数:53 ）141. 开关电源系统测试的方法研究（字数:9105,页数:20表》（附表2）所列内容记录有关事项。

目录绪论 (1摘要 (21 结构设计与方案选择 (31.1 基于过零检测法的数字式相位差测量仪方法概述 (4 1.1.1 相位-电压法 (41.1.2 相位-时间法 (51.2 方案的比较与选择 (62 相位-时间法单元电路的原理分析与实现方法 (62.1 前置电路设计与分析 (62.1.1 放大整形电路的分析与实现 (62.1.2 锁相倍频电路的分析与实现 (72.2 计数器及数显部分的设计与分析 (92.2.1 计数器部分的分析与实现 (92.2.2 译码显示部分的分析与实现 (103 结论 (124 参考文献 (13附录1:元器件名细表 (14附录2:相位时间法总体电路原理图 (15附录3:相位时间法总体电路PCB板 (16附录4:相位时间法总体电路PCB板3D视图 (17随着科学技术突飞猛进的发展,电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中,而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段,在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。

数字相位差测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具,比如在电力系统中电网并网合闸时,需要两电网的电信号相同,这就需要精确的测量两工频信号之间的相位差。

更有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中具备重要意义。

相位测量的方法很多,典型的传统方法是通过显示器观测,这种方法误差较大,读数不方便。

为此,我们设计了一种数字相位差测量仪,实现了两列信号相位差的自动测量及数显。

近年来,随着科学技术的迅速发展,很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展,这使得仪器的使用比较简单,功能越来越多。

本低频数字相位测量仪主要是测量电压和电流的相位差,由整形放大电路、基本门电路、锁相倍频、计数译码等集成电路构成。

测量的分辨率可达到0.1°,可测信号的频率范围为0Hz~250Hz,幅度为0.5Ⅴ,由于74HC4046的性能比较好,使得所制得的仪器精度相对较高,达到了任务书中所规定的要求。

第一届（1994年）全国大学生电子设计竞赛题目题目一简易数控直流电源题目二多路数据采集系统第二届（1995年）全国大学生电子设计竞赛题目题目一实用低频功率放大器题目二实用信号源的设计和制作题目三简易无线电遥控系统题目四简易电阻、电容和电感测试仪第三届（1997年）全国大学生电子设计竞赛题目A题直流稳定电源B题简易数字频率计C题水温控制系统D题调幅广播收音机第四届（1999年）全国大学生电子设计竞赛题目A题测量放大器B题数字式工频有效值多用表C题频率特性测试仪D题短波调频接收机E题数字化语音存储与回放系统第五届（2001年）全国大学生电子设计竞赛题目A题波形发生器B题简易数字存储示波器C题自动往返电动小汽车D题高效率音频功率放大器E题数据采集与传输系统F题调频收音机第六届（2003年）全国大学生电子设计竞赛题目电压控制LC振荡器（A题）宽带放大器（B题）低频数字式相位测量仪（C题）简易逻辑分析仪（D题）简易智能电动车（E题）液体点滴速度监控装置（F题）第七届（2005年）全国大学生电子设计竞赛试题正弦信号发生器（A题）集成运放参数测试仪（B题）简易频谱分析仪（C题）单工无线呼叫系统（D题）悬挂运动控制系统（E题）数控直流电流源（F题）三相正弦波变频电源（G题）简易数控直流电源（94年）直流稳定电源（97年）数控直流电流源（05年）实用低频功率放大器（95年）测量放大器（99年）题高效率音频功率放大器（01年）宽带放大器（03年）集成运放参数测试仪（05年）实用信号源的设计和制作（99年）波形发生器（01年）正弦信号发生器（05年）简易无线电遥控系统（95年）调幅广播收音机（97年）短波调频接收机（99年）调频收音机（01年）电压控制LC振荡器（03年）单工无线呼叫系统（05年）频率特性测试仪（99年）低频数字式相位测量仪（03年）简易频谱分析仪（05年）自动往返电动小汽车（01年）简易智能电动车（03年）悬挂运动控制系统（05年）第一届（1994年）全国大学生电子设计竞赛题目题目一简易数控直流电源一、设计任务设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。

毕业设计论文《低频数字式相位测量仪》摘要该数字式相位测量仪以单片机 (89c52) 为核心 , 通过高速计数器 CD4040 为计数器计算脉冲个数从 , 而达到计算相位的要求 , 通过 8279 驱动数码管显示正弦波的频率，不采用一般的模拟的振动器产生 , 而是采用单片机产生 , 从而实现了产生到显示的数字化 . 具有产生的频率精确 , 稳定的特点 . 相移部分采用一般的 RC 移相电路 , 节省了成本。

一方案论证与比较 :1 常见正弦信号的测量方法 :方案一：采用模拟分离元件如二极管，三极管等非线性元件，实现频率的测量，检相的功能，使用起来方便，价格便宜，但采用分离元件由于分散性太大，不便于集成及数字化，而且测量误差大。

方案二：采用集成的检相器，检频器实现频率及相位的测量。

这种方法的实现框图如下：这种方法虽然可实现比较精确的测量，但由于模拟信号易受外界的干扰，不易调节，无法实现智能化，数字化的缺点，一般在要求较低的情况下使用。

方案三：此方案采用高速信号发生器产生 20MHz 的高频信号，其主要特点是采用 CD4040 高频计数器结合单片机，利用计数脉冲实现测量相位与频率的目标。

这种方法克服了模拟电路的缺点，实现了数字化与集成化。

本设计采用了这种方法。

这种方案的组成框图：二系统总体设计按照题目要求，我们设计的相位测量系统包括三部分：正弦波产生系统（包括频率调整电路），移相电路和相位显视系统，其总体框图如下：三各部分硬件电路设计及参数计算1、正弦波产生电路•方案一：利用 8038 芯片或 MAX038 可以实现压控的函数发生器通过改变少量的外围元件，可实现正弦波，方波，三角波，并可实现频率调节，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使使用单片函数发生器，参数也与外部元件有关，外接的电阻，电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度差，精度低，抗干扰能力差，调节困难，成本也高。

而且灵活性差，不能实现智能化。

低频数字式相位测试仪的设计与实现尹晓慧;陈劲;张宝菊;王为【摘要】基于过零检测法,以微控制器ATmega 128和可编程逻辑器件EPM1270为核心,设计并实现了对双路同频低频信号的相位差和频率进行测量的系统.在一个可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)内实现了数字式相位差和频率的数据采集,简化了系统设计.系统可以对200 Hz～10 kHz频率范围内的信号进行相对精确的测量,与传统相位测量仪相比,具有硬件电路简单、测量速度快和易于实现等优点.【期刊名称】《天津师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(032)001【总页数】4页(P39-42)【关键词】相位测量;频率测量;CPLD;微控制器;液晶显示【作者】尹晓慧;陈劲;张宝菊;王为【作者单位】天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387【正文语种】中文【中图分类】TM932在电子测量技术中，相位测量是最基本的测量手段之一，相位测量仪是电子领域的常用仪器.随着相位测量技术广泛应用于国防、科研和生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展.在低频范围内，相位测量在电力和机械等部门具有非常重要的意义［1］，目前相位测量主要运用等精度测频和锁相环（Phase Locked Loop，PLL）测相等方法.研究发现，等精度测频法具有在整个测频范围内保持恒定高精度的特点，但该原理不能用于测量相位［2］.PLL测相可以实现等精度测相，但电路调试较复杂.因此，本研究选择直接测相法作为低频测相仪的测试方法.对于低频相位的测量，使用传统的模拟指针式仪表显然不能满足所需的精度要求，随着电子技术和微机技术的发展，数字式仪表因其高精度的测量分辨率以及高度智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用因此，本研究设计并实现了以CPLD和微控制器（Micro Control Unit，MCU）为核心的低频数字式相位测量仪.相位差测量的基本原理有3种：对信号波形的变换比较、对傅氏级数的运算和对三角函数的运算［2－3］.3种原理分别对应过零检测法、倍乘法和矢量法3种测量相位差的方法.过零点检测法是一种将相位测量变为时间测量的方法，其原理是将基准信号的过零时刻与被测信号的过零时刻进行比较，由二者之间的时间间隔与被测信号周期的比值推算出两信号之间的相位差.这种方法的特点是电路简单，且对启动采样电路要求不高，同时还具有测量分辨率高、线性好和易数字化等优点.任何一个周期函数都可以用傅氏级数表示，即用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，倍乘法测量相位差所用的运算器是一个乘法器，2个信号是频率相同的正弦函数，相位差为φ，运算结果经过一个积分电路，可以得到一个直流电压V＝k cosφ，电路的输出和被测信号相位差的余弦成比例，因此其测量范围在45°以内，为使测量范围扩展到360°，需要附加一些电路才可以实现.倍乘法由于应用了积分环节，可以滤掉信号波形中的高次谐波，有效抑制了谐波对测量准确度的影响. 任何一个正弦函数都可以用矢量来表示，如各个正弦信号幅度相等、频率相同，运算器运用减法器合成得到矢量的模V＝2E sinφ／2.矢量法用于测量小角度范围时，灵敏度较好，可行度也较高；但在180°附近灵敏度降低，读数困难且不准确.由于系统输出为一余弦或正弦函数，因此这种方法适用于较宽的频带范围［1］.上述3种测量相位的方法各有优势，从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看，过零检测法的输出正比于相位差的脉冲数，且易于实现数字化和自动化，故本研究采用过零检测法.采用过零检测法需要对被测信号的周期进行测量，由于信号的周期与频率之间呈倒数关系，本研究采用测量被测信号频率的方法实现对其周期的测量.频率测量的方法很多，可分为2大类：第1类是单位时间内测量脉冲周期的方法，这种方法的优势是能够用标准的基准单位时间对被测信号时钟进行脉冲测量，简单方便，容易实现，但是由于使用了基准的单位时间，所以测量脉冲时，如果被测信号的周期接近基准时钟的周期，测量的准确度就会下降，精度难以得到保障，所以这种方法只适合于测量高频信号，或者说这种方法只适合于基准时钟周期比被测信号周期大得多的情况；第2类测量方法是使用高频时钟对被测信号的单个时钟周期进行高频计数，这种方法的优点是使用高频时钟对被测信号的单个时钟周期进行高频计数可以在一个被测信号周期内完成对频率的测量，对于低频被测信号具有较高的精度，但设计较为复杂.本研究所涉及的频率测量范围为200 Hz～10 k Hz，属于低频信号，因此可以采用高频时钟的方法对频率进行测量.每种测量方法均存在2种具体的测量手段：一种是利用专用频率计模块来测量频率，如ICM7216芯片，其内部自带放大整形电路可以直接输入正弦信号，外部振荡电路部分选用由一块高精度晶振和2个低温度系数电容构成的10 MHz振荡电路，其转换开关具有0.01 s、0.1 s、1 s和10 s共4种闸门时间，量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果；另一种方法是利用CPLD和MCU来实现频率的测量，将被测信号通过模拟电路转换为方波信号输入EPM1270的某一I／O端口，在CPLD内部实现频率的采集，最后将计数值送入MCU处理并输出至液晶予以显示.比较2种测量手段，利用实验室现有条件，本研究采用CPLD和MCU实现对被测信号频率的测量.利用单片机控制计数器工作，硬件简单且频率测量精度高，这是目前较为成熟的一种高精度测频方案.系统的设计目标是实现双路同频率正弦波信号相位差和频率的测量.本研究采用数字鉴相技术在保持模拟式相位测试优势的同时，提出并实现了一种基于CPLD的低频数字式相位测试仪.该系统主要由数据采集电路、数据运算控制电路和数据显示电路3部分构成，采用CPLD和AVR单片机相结合构成整个系统的测控整体.CPLD主要负责数据采集，单片机负责读取CPLD采集的数据，再根据这些数据作出相应计算，并通过液晶将结果显示出来.系统在保持模拟式相位测试优点的同时，具有抗干扰能力强、外围电路简单和易于实现等优点［4－5］.测量相位差的具体方法为：先通过比较电路将两路同频率正弦信号分别转换为相应的脉冲信号将其中一路信号直接送入D触发器，作为触发信号；另一路信号通过反相器取反后与复位信号相与，将得到的结果送入D触发器的清零端，由D触发器输出一脉冲信号，此脉冲波形的脉宽为t，经过微处理器进行相应计算处理后得到两信号的相位差［6－7］.设计中频率测量的具体方法是：被测信号转换后形成脉冲信号，利用其上升沿触发计数器对基准时钟开始计数，处于下降沿时则停止计数，所得计数为N，利用t＝N×T／2，f＝1／t，其中T为所用晶振的时钟周期，利用单片机系统编程实现该运算式，即可求得频率，并将运算结果送液晶显示.系统的原理框图如图1所示.3.2.1 模拟部分模拟电路部分要将同频率的两路正弦信号转换为方波输出，电路采用电压比较器LM393.LM393内有2个电压比较器，两路信号分别接2个比较器同相输入端，将反相输入端接地，即构成过零比较电路.前级的射随器采用LM353，其作用是提高输入阻抗，提高负载.过零比较器使用芯片LM393来实现，该芯片性能较好，能够有效提取正弦波的过零点.选择使用过零点这种判断方法是因为正弦波在过零点的时候，斜率具有极大值，即使两列正弦波幅度略有不同，也不会对测量结果造成过大影响，所以芯片上输出口的上拉电阻主要用于控制高低电平输出的大小.图2和图3分别是A、B两路同频率正弦信号经过模拟电路转化为方波的电路图，其中W31和W32同时接通时构成跟随器，W32和W34同时接通时构成比例放大器.3.2.2 部分参数选择整个电路设计中，参数的选取至关重要，CPLD中计数器的时钟频率要选择恰当，时钟的脉宽要保证输入方波信号的高电平时间Δt最小时存在计数值，即系统能够采集Δt最小时的输入信号；同时，还要保证Δt最大时，计数器存在计数值，即能够采集到最大的相位差360°.根据相位误差范围的要求，计算Δφ＝Δt／T×360°＝0.5°，当 T＝10 k Hz时，Δt＝0.139μs，分频系数＝0.139／0.05＝2.78，故本设计采用2分频.由于AVR单片机数据位的限制，最终得到下限频率取200 Hz，此时，系统测量的展伸不确定度范围符合设计要求.系统的软件设计流程图如图4所示.本研究使用模块化的设计方法，所以软件模块和硬件模块均首先各自独立进行调试，独立调试通过后，再进行系统的软硬件综合调试.在调试输入波形整形模块时，首先检查该模块所有芯片的工作电压是否正常，调整工作电压后，再测试射随器的输出电压，如果其输出电压正常，则测试过零比较器的输出端，看其电压是否正常；如果不正常，可以稍微调整负载电阻，使其输出电压正常.实验所得数据均为正常情况下于实验室中测试得出，测试结果如表1所示.由表1数据可知，系统可以测量一定频率范围内2个同频正弦信号之间的相位差，并能达到稳定的测量精度（理论推算为0.5°，实际可达±3°）.测试结果存在的误差来源于所选基准时钟的准确性以及采用软件计数存在一定的延时.在实际应用中，CPLD可采用更高的晶振频率来增加频率的测量范围，并提高测量精度.本研究以微控制器ATmega 128和可编程逻辑器件EPM1270为核心，将单片机控制技术和电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA应用技术有机结合在一起，完成了低频数字式相位测试仪的设计与制作.由于可编程逻辑器件可以完成较大且较为复杂的逻辑处理任务，而且它灵活方便，易于移植，可通用性强，因此系统主要的逻辑功能均在可编程逻辑器件内部完成.本研究所设计的低频数字式相位测试仪采用CPLD，外围电路较为简单，工作可靠，电路调试和维护简单易行.【相关文献】［1］田秀丰，何继爱，李敏.低频数字式相位测量仪的设计［J］无线电通信技术，2008（2）：55－61.［2］陈明杰.低频数字相位（频率）测量的CPLD实现［J］.微计算机信息，2008，24（32）：224－225.［3］缪晓中.基于MCU＋CPLD的相位差和频率的测量方法研究及实现［J］.国外电子元器件，2008（7）：10－12.［4］姚远，王丽婷，郭佳静.低频数字式相位测量仪［J］.电子世界，2004（5）：39－41. ［5］潘洪明，邹立华，方燕红.同频正弦信号间相位差测量的设计［J］.电子工程师，2003，29（3）：41－42.［6］欧冰洁，段发阶.超声波隧道风速测量技术研究［J］.传感技术学报，2008，21（10）：1804－1807.［7］车惊春，韩晓东.Protel DXP印制电路板设计指南［M］.北京：中国铁道出版社，2004：94－110.［8］龙腾科技.Protel DXP循序渐进教程［M］.北京：科学出版社，2005：22－52.。

目录绪论 (1)1 系统设计方案 (2)1.1 设计任务的分析 (2)1.1.1 设计主要内容及基本要求 (2)1.1.2 技术指标 (2)1.2 系统方案的选择 (2)1.3 系统的总体设计方案 (3)2 系统硬件电路的设计 (4)2.1 信号整形电路的设计 (4)2.1.1 LM339 的简介 (4)2.1.2 最简单的信号整形电路的设计 (4)2.1.3 采用了施密特触发器组成的信号整形电路的设计 (5)2.2 FPGA数据采集电路 (6)2.2.1 FPGA数据采集电路的功能分析 (6)2.2.2 FPGA数据采集电路的原理 (7)2.2.3 FPGA数据采集电路中各模块确定 (7)2.3 单片机数据运算控制电路的设计 (8)2.3.1 单片机数据运算控制电路的设计 (8)2.3.2 数据显示电路的设计 (9)3 软件部分的设计 (12)3.1 FPGA数据采集电路的VHDL语言程序设计 (12)3.1.1 VHDL语言的简介 (12)3.1.2 VHDL语言程序设计 (12)3.2 单片机数据运算控制电路的程序设计 (12)3.2.1 数据处理的技巧分析 (12)3.2.2 软件设计思路 (13)4 系统的仿真与调试 (17)4.1 FPGA数据采集电路的调试 (17)4.1.1 软件调试 (17)4.1.2 程序下载 (19)4.1.3 调试中的问题 (20)4.2 单片机数据运算控制电路的软件制作与调试 (20)4.2.1 操作过程 (20)4.2.2 问题分析 (21)4.3 系统的联合调试与验证 (21)结论 (22)参考文献 (23)附录一：元器件清单 (24)附录二：程序清单 (25)致谢 (46)数字式相位差测量仪的设计摘要本设计——数字式相位差测量系统使用FPGA和单片机相结合，构成整个系统的测控主体。

FPGA主要负责采集两个同频待测正弦信号的频率和相位差所对应的时间差，而两个同频待测正弦信号经过信号整形电路变成方波后送入FPGA数据采集电路中。

、设计任务和技术要求1.1设计内容设计制作一个低频数字相位测量仪，要求使用单片机和 FPGA 来共同实现，FPGA 完成测量时间差，而单片机完成数据的读取、键盘控制和显示等功能。

1.2设计要求频率范围：20Hz~20kHz 。

相位测量仪的输入阻抗：仝 允许两路输入正弦信号峰峰值可分别在 1~5V 变化。

相位测量绝对误差W 2°。

具有频率测量及数字显示功能。

相位差数字显示，分辨力为 0.1 主芯片：Altera 的 FLEX10K10。

要求扩展键盘和显示接口电路，可以进行键盘控制以及显示等功能。

二、系统设计方案2.1方案论证根据系统的设计要求，本系统可分为三大基本组成部分：1. 数据采集电路数据采集电路主要是运用 FP GA/C PLD 采集两个同频待测正弦信号的频率和相位差所对应的时间差。

2. 数据运算控制电路数据运算控制电路主要是运用单片机读取FPGA/CPLD 采集到的数据，并根据这些数据计算待测正弦信号的频率及两路同频正弦信号之间的相位差。

3. 数据显示电路数据显示电路是通过功能键切换用LCD 液晶模块显示出待测信号的频率和相位差。

4. 整形电路由于FPGA 对脉冲信号比较敏感，而被测信号是周期相同、相位不同的两路正弦波信号， 为了准确地测出两路正弦波信号的相位差及其频率，我们需要对输入波形进行整形，使正弦 波变成方波信号，并输入 FPGA 进行处理。

整个系统的总体原理框图如图1) 2) 3) 4) 5) 6)7) 8)lOOkQ 。

2.1所示。

图2.1系统原理框图2.2程序设计框图图22程序设计流程图三、硬件电路图的设计与分析3.1 FPGA数据采集电路图3.1数据采集电路FPGA数据采集电路的功能就是实现将待测正弦信号的周期、相位差变为19位的数字量。

根据系统的总体设计方案，FPGA数据采集电路的输入输出信号有：CLK ――系统工作时钟信号输入端；A，B――两路被测信号输入端；EN ――单片机发出的传送数据使能信号；RSEL ――单片机发出的传送数据类型信号；DATA[18..O] ―― FPGA到单片机的数据输出口。

低频数字式相位测量仪设计报告目录1方案设计与论证2 1．1移相网络设计方案2 1.2相位测量仪设计方案3 2系统设计3 2.1总体设计32.1.1系统框图3 2.1.2模块说明4 2.2各模块设计及参数计算4 2.2.1移相网络设计及R、C参数设定4 2.2.2相位测量仪设计52.2.3软件系统63.结论64.参考文献75．附录7系统设计图7摘要本系统以单片机为核心，辅以必要的模拟电路，构成了一个基于具有高速处理能力的低频数字式相位测量仪。

该系统由相位测量仪和移相网络组成；移相网络能够产生-45~45°相位差的两路信号；相位测量仪能够测量出具有0°~359°的两路信号的相位差，绝对误差小于2°，具有频率测量及数字显示功能。

经过实验测试，以上功能均可以准确实现。

关键字：单片机移相相位差数字显示1方案设计与论证1．1移相网络设计方案本设计的核心问题是信号的模拟移相程控问题，其中包括波形相位以及波形幅度的程控。

在设计过程中，我们首先考虑了赛题中提供的方案。

如图1-1所示：V1VV2图1-1该模拟电路主要采用高、低通电路的临界截止点来产生极值相位的偏移。

当高、低通电路的截止频率等于输入信号频率时，根据其幅频特性，信号波形所产生的相位分别为45°和-45°，恰好满足赛题要求的连续相移范围-45°~45°的调节。

由于高、低通电路在截止点时会产生幅度的衰减，故电路在后级加了放大电路，且采用了电压串联负反馈的方式提高了输入阻抗并降低了输出阻抗，电路最后还设计有调幅装置，能够很好地满足A、B输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3V—5V范围内变化。

综上所述，该移相网络能够满足赛题的所有要求，且电路设计简单、易行，故我们直接采用了这种方式来产生模拟的相移输出。

1.2相位测量仪设计方案方案一：检相器可以利用正弦波形的正半周和负半周的对称特性。

摘要本文设计的是低频数字相位测量仪的软件控制部分。

在设计中采用MCU与FPGA 相结合的方案，将软件部分系统分为控制数据采集处理和单片机控制显示两部分的软件设计，本部分分软件设计充分发挥单片机控制运算能力强的特点来对其各个模块进行软件编程。

数据的采集利用FPGA去完成，可以准确地采集到两个同频正弦信号的相位差所对应的时间差以及信号的周期，从而更好地提高系统的可靠性。

再根据单片机具有较强的运算、控制能力的特点，我们通过对单片机最小系统来进行编程以之完成读取FPGA的数据，并根据所读取的数据计算待测信号的频率及两路同频信号之间的相位差。

同时通过软件编程来实现功能键的切换，由显示模块显示待测信号的频率和相位差。

关键字：数据采集; 单片机; 频率; 相位差;ABSTRACTThis paper is designed to phase low-frequency digital measuring instrument. this design which uses the combination of The MCU and FPGA will be divided the hardware into two parts of data acquisition processing and MCU minimum system ,it give full use to the features of MCU-controlled computing for power , the FPGA data acquisition for high speed and resource-rich . we use the FPGA to complete collection of the data, so we can accurately collect the phrase difference between the two-phase sinusoidal signal ,corresponding to the time difference and the cycle of signal, so as to greatly improve the reliability of the system. Then according to characteristics of the shrapnel-strong operation and the ability to control, we use the minimum system of MCU to complete the reading of data FPGA, then according to the data read calculate the frequency of signals under test and the phase difference between the two-way same frequency signal. At the same time, through the switching of function keys ,the frequency and phase of signals under test Will be showed by moduleKeyword：Data; Acquisition; SCM; Frequency; phase目录绪论 (1)相位测量原理 (2)输入与采集 (2)频率的测量 (2)相位差对应的时间差的测量 (3)2 设计要求与设计方案 (4)设计要求 (4)设计方案 (4)设计思路 (4)各模块的作用 (4)设计方案 (4)3 整机电路原理 (6)MCU控制FPGA电路 (6)MCU控制显示电路 (7)整机电路原理 (8)4 软件设计 (10)MCU控制FPGA的软件设计 (10)MCU控制FPGA电路框图 (10)软件设计思路 (11)MCU控制FPGA各程序流程图 (11)MCU控制显示的软件设计 (13)显示软件设计 (13)单片机控制显示程序流程图 (14)5 程序设计 (15)单片机的源程序 (15)结论 (27)致谢 (28)参考文献 (29)绪论随着科学技术的突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设、科研、生产等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。

电路相位测量子系统将待测波形经整形后变成数字信号，再对其进行频率及相位测量。

⑴整形电路正弦信号经同相跟随后再放大一定倍数，可减小其上升时间，经过迟滞比较后输出同频率的方波信号，为了使两路方波信号的相位差与输入的两路正弦信号相位差相同，两整形电路的参数须选得一致，保证相移相同。

为使信号上升沿陡度，经一级非门输出可得到上升时间为50ns左右的方波。

运放采用OP37，比较器采用高精度的LM311。

电路如图2所示。

图2 整形电路⑵相位测量图3 相位测量硬件电路两路被测信号异或后再与计数时钟信号“与“得到的信号1和高频计数时钟信号2，利用信号1、2上升沿计数，通过单片机控制计数周波数，再根据两计数值计算出相位差。

电路图如图3所示，采用两片8254级联，组成了32位计数器，大大提高了系统的精度。

对输入信号进行N倍分频（由单片机对8254进行控制），则可使读出N个整周波内的计数值，很大地减小了误差。

采用一个D 触发器检测相位的超前与滞后使相位扩展到o 0-o 360。

2 数字式移相信号发生器采用直接数字频率合成技术（DDFS ），用两片EPROM27128，存储相同的波形数据，分别由两路有设定数据差值的地址数据寻址即可输出有设定相移的两路波形。

图4是基于CPLD 的DDFS 技术原理框图。

图4 基于CPLD 的DDFS 实现⑵ CPLD 的频率和相位控制 控制框图如图5：图5 频率和相位控制框图⑶ 存储器及D/A 转换电路设单片机对控幅D/A （DA0832）置数为D7D6D5D4D3D2D1D0，则DAC0832给AD7524的参考电压为5.22561222324252627234567⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=D D D D D D D V ref输出波形的幅值为2V ref 。

图6 DDFS 电路1 相位差测量模块（1）原理分析输入两路同频率的正弦波信号，其波形表达式分别为：)sin(111ϕω+=t V v m )sin(222ϕω+=t V v m当两路信号的频率相同时，相角差2θϕϕ1＝－是一个与时间无关的常数，将此两路正弦波信号经过放大整形成两路方波信号f1、f2，经过异或门输出一个脉冲序列A ，与晶振产生的基准脉冲波B 进行与操作得到调制后的波形C ，在一定的时间范围内对B 、C 中脉冲的个数进行计数得b N 、C N ，则其相位差计算公式为C N 360×N 2b οθ＝ 采用多个周期计数取平均值的方式以提高测相精度。

引言相位差测量数字化的优点在于硬件成本低、适应性强、对于不同的测量对象只需要改变程序的算法，且精度一般优于模拟式测量。

在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中，常常需要测量两列同频率信号之间的相位差。

例如，电力系统中电网并网合闸时，需要求两电网的电信号的相位差。

相位差测量的方法很多，典型的传统方法是通过示波器测量，这种方法误差较大，读数不方便。

为此，我们设计了一种基于锁相环倍（分）频的相位差测量仪，该仪器以锁相环倍（分）频电路为核心，实现了工频信号相位差的自动测量及数字显示。

论文摘要本系统为低频数字式相位/频率测量仪，由移相网络模块、相位差测量模块及频率测量模块三大部份构成，其系统功能主要是进行相位差测量及频率测量。

移相网络主要是由RC移相电路和LM324运放电路组成，将被测信号送入移相网络，经RC移相、LM324隔离放大，产生两路信号，一路为基准信号经过波形转换，另一路为移相后的信号。

分别经过波形转换、整形、二分频送给相位测量模块及频率测量模块。

相位差测量仪主要是由锁相环PLL（Phase Lock Loop）产生360倍频基准信号和移相网络的基准信号与待测信号进行异或后的信号作为显示器的闸门电路和控制信号。

频率测量模块主要是用计数法测量频率的，它是有某个已知标准时间间隔Ts内，测出被测信号重复出现的次数N，然后计算出频率f=N/Ts.显示电路模块主要是由计数器、锁存器、译码器和数码管组成。

低频率数字相位测量仪目录1设计任务书 (3)2设计方案概述 (3)3系统的组成………………………………………………………………………………4.3.1总体框图 (4)3.2移相网络部分 (4)3.3相位测量部分 (6)1)波形转换、整形放大 (8)2)锁相环倍频 (9)3)闸门电路 (11)4)控制门 (11)5)计数器 (11)6)锁存器 (11)7)显示译码器与数码管 (11)3.4频率测量部分 (12)1)数字频率计的基本原理 (12)2)系统框图 (12)4附录………………………………………………………………………一、设计任务书（一）任务设计仿真一数字相位计（二）主要技术指标与要求：（1）输入信号频率为1KHZ～20KHZ可调（2）输入信号的幅度为10mV（3）采用数码管显示结果，相位精确到0.1°（4）采用外部5V直流电源供电（三）对课程设计的成果的要求（包括图表）设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书。

《电子系统综合创新设计》实验教学大纲适用范围：2012本科人才培养方案课程编号: 0902107040课程名称：电子系统综合创新设计英文名称：Electronic system comprehensive innovation design课程类型:选修总学时/实验学时：32/12学分：2适用专业:电子信息工程先修课程：模拟电子技术、数字电子技术、C语言程序设计、单片机技术一、课程性质、目的和任务《电子系统综合创新设计》实验，根据全国大学生电子设计竞赛的赛题设计，是理论和实践性结合紧密的一门课程，是理工科专业的综合能力培养的课程。

为了使学生在学习这门课时，能很好地理解和掌握有关理论概念以及有软硬件的综合设计方法，特开设这门实验课。

实验实施与安排与理论课密切相关，同步进行。

二、实验教学基本要求本课程涉及的学习内容大多都具有直接的应用背景，因此感觉不会太抽象。

但相关的知识一定要经过实践才能掌握其中的精髓，才能积累相应的开发经验。

因此学习过程中要注意理论结合实践。

本实验课程要遵守南阳理工学院实验室规章制度的基本要求，根据微机原理实验课的基本要求进行试验操作，通过实验使学生学会使用常用电子仪器测量、程序仿真调试的方法；学会程序的设计，VHDL语言及EDA的应用技术、嵌入式系统的应用技术、各种传感器及检测电路的设计、各种常用接口电路的硬件电路设计及接口驱动程序的设计，使学生电子综合设计的原理及经典架构，初步具备一个电子工程师的系统设计能力。

三、实验项目与内容阻。

（2）3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB。

（3）最大增益≥40dB，增益调节范围10dB～40dB（增益值6级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。

（4）最大输出电压有效值≥3V，数字显示输出正弦电压有效值。

2 电压控制LC振荡器的设计实验设计并制作一个电压控制LC振荡器，主要参数要求：（1）振荡器输出为正弦波，波形无明显失真。