1、 1 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 低频相位测量仪概述 摘要： 本文主要介绍了研究低频相位测量仪的意义，低频相位测量仪的历史背景及测量的三种方法，并比较了用 FPGA、 CPLD、 DSP 以及数字电路来实现的不同。 关键词： 低频 ； 相位 ； 单片机 1、课题背景 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 1。低频数字式相位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，要求两电网的电信号
2、相同，这就要求精确的测量两工频信号之间的相位差。还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有重要意义。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 2。 2、设计原理 低频相位测量仪主要以单片机为核心，由移相网络、数字式相位测量仪 (含测频功能 )、数字式移相信号发生器三个独立模块组成 3。 移相网络有模拟移相和数字移相，数字式移相信号发生器的实现主要有两 种方案： 方案一：锁相环频率合成 使用锁相环频率合成，实现信号发生器，频率稳定精确、并且在较大范围可变，但由于锁相环本身是一个惰性环
3、节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，幅度和相位都很难控制。 方案二：采用直接数字频率合成器 (DDFS) 它主要由相位累加器、波形表、 D A输出、低通滤波器四部分组成。采用这种纯数字化的方法，产生信号的频率准确、频率分辨率高，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控。 对于 相位差测量的基本原理主要有三种 :对信号波形的变换和比较对傅氏级数的 运算及对三角函数的运算，其具体方法如下 4： 方法一：矢量法 任何一正弦函数都可以用矢量来表示，如两个正弦信号幅度相等、频率相同，运算器运用减法2 器则合成矢量的模： 2 2V ESin 。这种方法用于测量小角度
4、，灵敏度较好，可行度也较好；而在靠近 180。附近灵敏度降低，读数困难也不准确。由于输出是一余弦或正弦函数，因此这种方法适用的频带范围是较宽的 5。 方法二：倍乘法 任何一周期函数都可以用傅氏级数表示，在这里运算器是一个乘法器，两个信号是频率相同的正弦函数，相位差为一个 角度 ，运算结果再经过一个积分电路，得到一直流电压 cosVk ，电路的输出和被测信号相位差余弦成正比例，因此其测量范围在 45以内，欲使测量范围扩展到 360，需要附加一些电路才能做到。这种方法由于应用了积分环节，可以滤掉信号波形中的高次谐波，抑制了谐波对测量准确度的影响 6。 方法三：过零点检测法 过零检测法是将基准信号正
5、向通过零的时刻与被测信号通过零的时刻进行比较，由二者之间的时间间隔，即可推算出两信号之间的 相位差。这种方法的特点是电路简单，对启动采样电路要求不高，同时该方法还具有测量分辨率高、线性好、易数学化等优点 7。 3、设计思路 低频相位测量仪可利用可编程控制器件 FPGA/CPLD， DSP和 数字电路等多种方法实现 ： 思路一：可编程控制器件 FPGA/CPLD+单片机 该系统以 Altera公司的 EP1K100QC208-3作为数据处理及控制核心，由移相网络，信号处理电路，数据采集电路，数据运算电路以及 LED数码管显示电路组成。我们输入一路正弦信号，经过移相网络后得到两路同频不同相的正弦信
6、号，在经过信号处理 电路将移相网络的两路输出信号处理为两路同频不同相的方波，将定义的信号超前端和信号滞后端两路信号送入 EP1K100QC208-3内，经过VHDL语言编写生成的数据采集以及数据运算模块，将数据送入 LED数码管显示电路显示出经过移相网络后的两路同频信号的相位差 8-9。 思路二： DSP+单片机 此低频数字式相位测量仪的目的是将输入的信号先进行信号整形，然后送给移相网络，再送给TMS320VC5402处理，最后将结果送给 AT89S52，并由 AT89S52控制 LCD显示测量结果。该系统以TMS320VC5402为核 心，对待测量信号进行采集和处理，包括整形和移相电路，把采
7、集来的模拟信号转换为数字信号。其中 SRAM和 Flash分别为 TMS320VC5402的数据存储器和程序存储器。键盘和显示部分则由 AT89S52来控制， AT89S52把键盘操作转换为控制信号再传送给 TMS320VC5402，控制系统是进行相位测量还是周期、频率、脉宽、占空比测量， TMS320VC5402把要显示的系统状态送给 AT89S52，以实现 LCD显示 10。 3 思路三：数字电路 +单片机 该系统的整形电路由 AD620和 LM339组成， AD620是一个 高性能仪用放大器，它只须外接一个电阻，即可实现增益在 1 1000内调节。当增益为 1时，不需外接电阻，且其阻抗可
8、达到 10M。用AD620可实现对弱小信号的放大整形。 LM339比较器组成施密特电压比较器，用于检测信号过 0点，将正弦波整形为方波。鉴相器由一片 74LS74双 D触发器组成，线性度好，工作范围为 0 359.999。外部计数器采用两片 2-8-16进制计数器 SN74197，分频系数选 256。当为上限频率，相位最大时，分频后进入单片机的频率小于 2.4MHz/256=9.3kHz，满足单片机外部计数脉冲小于 250kHz的条件。显示器用 6位 LED数码管静态显示，定时刷新，用 6片串入并出的移位寄存器 74LS161驱动 11-12。 4、总结与比较 低频相位测量仪涉及到对信号的处理
9、、分析、计数，由于单片机集成度高，智能程度高，功能强大，使得他实现起来比较简单，而且具有体积小、性价比高、性能稳定的特点。 在 FPGA系统中，硬件电路简单，适用于 200Hz 20kHz频率范围内的信号，该系统能充分利用FPGA对数据的高速处理能力，使得系统设计高效，可靠。 在 CPLD系统中，相位测量功能完全在一块 CPLD芯片内部实现，极 大的简化了外围逻辑电路，提高了系统的可靠性。与传统的电路设计相比，具有测量频带宽、分辨率高、速度快、实现简单等优点。 在 DSP系统中，该系统能够精确地测量出输入信号的相位、周期、频率、脉宽和占空比，且具有体积小、操作灵活、性能稳定和性价比高的特点。
10、参考文献 1 史国清等 . 基于单片机的低频数字相位测量仪的设计 J.现代电子技术， 2005， 8： 80 81. 2 John Wiley. Analog and digital electronics for scientistsM. New York: Vasses Basil， 1985. 3 杨宁等 . 简易低频数字式相位测量仪的设计 J.武汉化工学院学报 ， 2006(6)， 28： 75 79. 4 全国大学生电子设计竞赛组委会编 .全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选（ 2003） M.2003. 5 姚远等 .低频数字式相位差测量仪 J.电子世界 ,2004(5):39 41
11、. 6 谭会生 .EDA技术综合应用实例与分析 M.西安 :西安电子科大出版社 ,2004. 7 张超 ,刘开培 .基于 CPLD的相位差测量仪 J.电子技术 ,2003(5):13 17. 8 王振红等 .基于 FPGA 控制的低频数字式相位测量仪研究 J.北方工业大学信息工程学院 ,2010(1):76 78. 9 田秀丰等 .低频数字式相位测量仪的设计 J.无线通信技术 ,2008,2:55 58. 10 俞斌等 .基于 DSP的低频数字式相位测量仪的设计 J.电子产品世界 ,2006(12):84 87. 4 11 姜玉宏等 .基于 MCS-51的高精度数字测相方法 J.重庆大学学报（自然科学版）， 2005， 8： 2830. 12 V. V. Tereshkov and V. M. Avanesov. LOW-FREQUENCY DIGITAL PHASE METERJ.Izmeritel naya Tekhnika, No. 4, pp. 48 50, April, 1992.
