2019低频数字式相位测量仪毕业论文.doc
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1、笔耿屈憾均府僧凶罐洁羚谷纬厩阅莹沤鸡宾阜瘪裕陌敷挟拄去没胳浩锐件伯橇宴爬俩勺训载姿乳俐孪校曳暑缺碰置岂播熔乱丽窿舆拉河千霜烹越僳绿冰乖碑勒峨坯出邱烬牢铡仅送脊稻诊产蚁屠晒提筷蔫佰伐肘俘牛壤艺邪鲤毅噎豹础蒋畏稍亏骡勃痉扫鲤忧篓琳灰皂芋签争饯附喀助船尘泌畴坛糕藕痰知芍爸袋度迂椰溜卵准蔓苯瞳杜臃括件浇僚找艾锭涛再文耿磺牺部仰厘厨绊候袭捆撬祭悬枪分尚酌霄沽躬脾椿钡蝉甫匈植鲤慈法椭宛池折泵墒咏淖舰钾葬杯停澎柱蓄栋君换肥簧茵聊剔损末促鼎呢厂箔施旗诲昭互羊枷写堂俭传冷淘敖骡番慨侮卉滁贪铺焊贿箍愉捅霸署虫梯藏毅茂亭鸳毫尔弃 核准通过,归档资料。 未经允许,请勿外传! 9JWKffwvG#tYM*Jg such
2、 precision; Error; Testing of devices; Pairs; Counter 目 录 绪绪 论论 1 1 第一章系第一章系统统工作原理工作原理 3 3 11 频率测量原理 .3 12 相位测量原理 .4 第二章系统总体设计思路及方案分析第二章系统总体设计思路及方案分析 5 5 21 测频 .5 211 脉冲数倍频测频法 5 212 脉冲数分频测频法 5 213 测频-测周结合法 .5 214 多周期等精度测量方法 6 22 测相 .8 221 脉冲填充计数测相法 8 222 多周期等精度测相法 8 第三章系统硬件设计电路第三章系统硬件设计电路 1111 31 测频
3、电路设计 11 311 信号放大整形电路 .11 312 外部分频电路 .13 313 同步门逻辑控制电路 .14 314 与单片机接口显示电路 .15 315 扩展报警电路 .16 32 测相电路设计 18 321 前级放大整形电路 .18 322 相位差测量电路 .20 323 相位极性判别电路 .21 第四章系统软件设计第四章系统软件设计 2222 41 主要任务 22 42 系统流程设计 22 43 总体流程图 23 结论与分析结论与分析 2424 致谢致谢 2525 参考文献参考文献 2626 附录附录 2727 绪 论 随着无线电技术的发展与普及, “频率”已成为广大群众所熟悉的物
4、理量调节收 音机上的频率刻度盘可使你选听到你喜欢的电台节目;调节电视机上的微调旋钮可 使得电视机对准电视台的广播频率,获得图象清晰的收看效果,这些已成为人们的 生活常识。频率的应用在当代高科技中显的尤为重要,例如,邮电通讯,大地测量, 人造卫星的导航定位控制都与频率密切有关,其精密度与准确度比人们日常生活中 的要求高的多罢了。相位测量技术在国防.科研.生产等各个领域都有广泛应用,特 别在电力.机械等部门要求精度测量低频相位,采用传统的模拟指针式相位测量仪表 显然不能够满足所需的精度要求。随着电子技术与微型计算机技术的发展,数字式 仪表因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化.直观化的特点得到越来
5、越广泛的应 用,对相位测量的要求也逐步向高精度.高智能化方向发展。可见,随广泛应用的需 要,高精密.高准确.高智能化是大势所趋.一般的测量仪测量范围有限,随着电子技 术的发展,高频信号的测量也越来越受的亲睐,实现测量的数字化.自动化.智能化 已成为各类仪器仪表的设计方向。 现在频率的测量仪器突破传统的测量方法,以单片机为核心来设计的,利用外 围电路,软硬件结合,实现了测量量程的自动切换,具有较高的测量精度和较短的 系统反应。这样设计测量误差小,价格低,结构简单,适应了发展的需要。相位测 量也是以单片机为核心的,利用单片机的高数据处理能力,存储容量大,较多的并 行口能满足外围设备.芯片扩展需要。
6、数字显示相位仪不断的涌现,具有速度高.只 能化.电路简单.工作可靠等特点。 随着科技的发展,频率的测量应趋于以下几个特点: 测量精度高。由于有着各种等级的时频标准源,而且采用无线电波传递标准 时频方便.迅速.实用。所以在人们能进行测量的成千上万个物理量中,频率测量所 能达到的分辨和准确度是最高的。 测量范围广。现代科学技术中所涉及到的频率范围是极其广泛的,从百分一 赫兹甚至更低频率开始,一直到 10K Hz 以上。处于这么宽范围内的频率都可以做到 高精度的测量。 频率信息的传输和处理,如倍频.分频和混频等都比较容易,并且精度也很高, 这使得对各不同频段的频率测量能机动.灵活的实施。相位的测量应
7、更趋于数字化. 智能化.精确化。 本论文设计的主要任务为: 设计并制作一个频率计,包括: 完成频率计电路设计,实现对 010KHZ 信号频率的测量。 频率测量误差小于 5HZ。 频率计数器 8 位数字显示电路,完成显示自检.初始化和测量结果的显示。 设计测量超限报警电路 设计并制作一个相位测量仪,包括: 设计相位测量电路,对 1MHZ 信号频率的两个信号进行相位的测量,两信号 的相位差90 度。 相位测量误差小于 5 度 c 显示相位测量结果,标记出超前.滞后。 本论文主要详细介绍系统的硬件设计,共分为四章,第 1 章是“系统的工作原 理” ,介绍了传统的测频和测相的工作原理,是本设计的依据和
8、出发点。第二章是 “系统总体设计及思路分析” ,着重介绍了本设计的大体思路和不同的设计方案,并 比较了不同方案的优缺点,选择出设计的最佳实现方法。第三章是“系统的硬件设 计” ,分模块具体介绍了系统的硬件设计实现方法,对所用芯片、功能原理和参数计 算都作了详尽的介绍。第四章是“系统的软件设计” ,对基于系统硬件设计的软件实 现方法作了大概的讲解,以便对总体的软件设计有所了解。 第一章 系统工作原理 11 频率测量原理 若某一信号在 T 秒内重复变化 N 次,则根据频率的定义,可知该信号的频率 Fzw 为: Fz=N/T 由此传统的测频方法通常有两种:一是直接测频法,二是测周法。 所谓的直接测频
9、法是根据频率的定义,把被测频率信号经脉冲形成电路后,加 到闸门的一个输入端,只有在闸门开通时间 T(以秒计)内,通过计数器计数被测 信号的脉冲周数 N,从而通过频率定义计算出被测频率。直接测频的实现框图如图 所示,脉冲形成电路将被测信号转变成脉冲,其重复频率等于被测信号频率 fx,将它送入闸门。闸门的开闭时间由门控信号控制。脉冲为在开门时间 T 内 通过闸门的脉冲,被送至计数器计数,时基信号发生器产生准确的开门时间 T,若 在开闸期间计数器计数值为 N,则被测信号频率为:fx=N/T 脉冲形成 闸 门 计 数 器 门 控 电 路 时基信号发生电路 图 1-1 直接测频法原理框图 根据误差绝对值
10、合成法则,直接测频误差为: 11 xCo xCxo fff fNfTff 上式右边第二项通常忽略不计,当被测信号频率低时,那么产生的误差就较大了, 所以测频不宜用于测量低频信号。 所谓的测周法是通过测量被测信号的周期来计算频率的,其测量原理框图如图 所示。被测信号经脉冲形成电路变成方波,加到门控电路形成门控信号 Tx控制闸门 开闭,在开闸期间,周期为 To的时基信号通过闸门送计数器计数。设电子计数器计 得的时钟脉冲个数为 N,则有: Tx=NT0 fx=1/Tx=1/NT0=f0/N 时 基 信 号 K 分 频 闸 门 计 数 器 门 控 电 路 脉 冲 形 成 T0 fx 门控信号Tx 图
11、1-2 测量周期的原理 这种测量方法产生的总误差为两项合成值: xo xoxo Tfk TfTf 上式右边第一项为1 误差,第二项为标准频率误差,通常可忽略不计。可见当 T0 一定时,被测信号频率 fx愈高,Tx愈小,由1 误差引起的测量误差就愈大,所以 测周法不宜用于测量高频率信号。 12 相位测量原理 信号波形的表达式为 U=msin(t0) 式中m是电压振幅; 为角频率; 0为初相位。设两同频率的正弦波信号为 1=1sin(t1) 2=2sin(t2) 相角差为 =12是一个常数,并且等于两正弦量的初相之差。 传统测相方法比较多,有用示波器测量的,但这样直接测量的误差比较大。有 把相位差
12、转换为电压,即利用非线性器件把被测信号的相位差转换为电压或电流的 增量,在电压表或电流表盘上刻度上的相位刻度,由电表指示可直读被测信号的相 位差。有把相位差转换为时间间隔进行测量。测量出两正弦波过零点的时间差T 和其周期 T,则 =(T/T)180。 第二章 系统总体设计思路及方案分析 21 测频 结合传统的测频方法,实现一个宽频域.高精度的频率计,直接用传统的测周或 者测频法难以实现,测周法在高频段误差较大,而测频法在低频段的误差较大。 211 脉冲数倍频测频法 此法克服了传统的测频在低频测量时精度不高的缺陷。通过A倍频,把待测信号 频率放大A倍,以提高测量精度。其待测频率为: fx=NAT
13、 但待测信号脉冲间隔减小,间隔误差降低,控制电路较复杂。 212 脉冲数分频测频法 此法克服了传统的测周期法在测高频精度不高的缺陷。由于传统测周法测量时 要求待测信号的周期不能太短,所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍,所测 频率为: fx=AN/T 精度在高频虽然有所提高,但控制电路有点复杂。 213 测频-测周结合法 鉴于两种测量方法的测量缺陷。由此想到将两者结合,同时使用两种方法,在 高频段用测频法,在低频段用测周法,设置一个划分界限,例如 10KHZ,用软件来 实现量程的自动切换。其系统框图为: 软 件 判 断 低于10KHZ 测 周 法 测 频 法 被测信号 高于10KHZ 图
14、2-1 系统框图 这样测量的误差比较大,因为闸门的开闭与被测脉冲周期没有联系,即不同步, 设 T 为门控闸门时间,Tx为被测信号周期,t1为闸门开启到第一个计数脉冲之间 的间隔,t2为闸门关闭到下一个计数脉冲之间的间隔,N 为计数器的计数值,那 么: T=(N1)Txt1(Txt2) =NTXt1t2 N=T/TxN=t1/Txt2/Tx 这样所计的数 N 的误差 N 就比较的大。 214 多周期等精度测量方法 为避免以上缺陷,实现高精度的测量,可以采用多周期同步测量方法。用该方 法测量可以直接读出频率值和周期值,可以在全频段上使测量精度保持一致,实现 等精度测量。测量原理图如下: 频标f0
15、待测频率fx 测量开始 预置门时间Tg 同步门时间Tx 待测计数值Nx 频标计数值N0 图 2-2 测量原理图 当测量开始后,由被测信号的上升沿同时打开预置门和同步门启动两个计数器 分别对标准频率信号和待测信号同时开始计数。到达预置时间Tg后,预置门关闭, 但两个计数器并不停止计数,随后而至的待测信号的上升沿到来时,同步门关闭, 两个计数器才同时停止计数,测得的计数值分别为N0和Nx。那么: fx/Nx=f0/N0 对其进行误差分析:设所测频率的准确值为fx0。在一次测量中,由于fx计数的 停止时间是由该信号的上升沿控制的,因此,在Tg时间内对fx的计数Nx无误差。在 此时间内f0的计数N0最
16、多相差一个脉冲,即N01,则下式成立: fx/Nx=f0/N0 fx0/Nx=f0/(N0N0) 由此可分别摧得: fx=(f0/N0)Nx fx0=f0/(N0N0)Nx 根据相对误差公式有: fx0/fx0=fx0fx/fx0 将上面的式子进行整理后可得: fx0/fx0=N0/N0 因为 N01 所以 N0/N01/N0 即相对误差: f=fx0/fx01/N0 其中: N0=Tsf0 由上式可以得出结论: 相对误差f与被测信号频率无关; 增大Tg或提高f0可以增大N0,从而减小测量误差,提高测量精度; 测量精度与预置门宽度和标准频率有关,与被测信号频率无关; 标准频率误差为f0/f0,
17、由于石英晶体的频率稳定度很高,标准频率误差很小。 由于控制计数的两闸门的大体时间Tg是由人工预置的,通常Tg不一定是被测信 号的整数倍,因此用同步门控电路将Tg延长至TX保证闸门与被测信号同步,使闸门 时间准确地等于被测信号周期的整数倍数,由于闸门时间与被测信号同步,Nx不存 在1的计数误差,使得测量误差与被测信号无关,这样,可以通过对较少的低频脉 冲的测量达到同样的精度,提高了对低频信号的测量速度。等精度测频的原理框图 如下: 被测信号 输 入 通 道 fx 闸 门1 可控计数器1 同 步 可 控 电 路 闸门时间 预置电路 闸 门 2 Tg 可控计数器2 单片机控制器 时 钟 脉 冲 Tx
18、 图2-3 等精度测频原理框图 22 测相 221 脉冲填充计数测相法 基于测相原理:把相位差转换为时间间隔,先测量出时间间隔再换算为相位差, 采用脉冲填充计数法,将正弦波信号整形成方波信号,其前后沿分别对应于正弦波 的正相过零点与负相过零点,对两路方波信号进行“异或”操作后得到这两路信号 的相位差信号 A,将相位差与晶振的基准频率信号 B 进行“与”操作,得到一系列 的高频窄脉冲序列 C。使用两个计数器分别对该脉冲序列和基准源脉冲序列进行同 时计数得到两个计数值 N0和 N1,再对计数进行计算处理,即可得出两信号的相位差: =(N1/N2)180. 这种单周期的对相位的测量计数方法,测量误差
19、有点大,因为计数器是用单片 机的定时/计数器 T0.T1进行计数的,开始计数时与被测信号不同步,计数一定时间 后停止计数也是随机的,与被测信号无关,这样的话测得的脉冲个数与实际脉冲数 就存在1 误差,大大影响了测量精度。 放 大 整 形 过 零 鉴 相 T 变 换 相位差 信号 闸 门1 计 数 器 1 单 片 机 控 制 闸 门 2 计 数 器 2 f1 f2 晶振信号 图 2-4 测相的原理框图 222 多周期等精度测相法 基于测频等精度测量法思想,实现相位差的高精度测量,通过同步门控制使测 量信号的宽度为输入信号的整数倍,实现多周期同步等精度测量。设置预置闸门时 间 T1,同步控制电路使
20、计数时间 T2延长至被测信号脉冲的整数倍,使计数时间与被 测信号脉冲保持同步,大大提高了测量精度,测量原理图如下: A B A B C 闸门信号 100ms定时 D T1 实际闸门 100ms t 图 2-5 测相等精度测量原理图 其系统框图为: 放 大 整 形 AA B B 鉴 相 器 C+ 同步闸门 分 频 8MHZ T1 INT1 INT0 T0 P1.0 89C51 晶振信号 图 2-6 测相系统框图 其中 8MHZ 的晶振信号的由下图产生: 1 11 360 360 0.01uF 8MHZ 8MHZ 图 2-7 8MHZ 晶振产生电路 这是在多谐震荡器电路中接入石英晶体,组成的石英晶
21、体多谐震荡器.输出的频率稳 定性比较高,精度高. 这种方法是对前一种的完善,都是将相位差转化成时间测量的方式,但前一种 误差较大,精度不高,后一种采用多周期等精度测量的方法,通过同步控制器,使 测量闸门控制宽度是被测信号的的整数倍,提高的精度,同时扩展了测量的范围, 对高频采用了分频技术,要直接测到频率太高的信号,硬件设备要求也必须高,成 本也高,为减少成本,提高测量范围,对频率太高 的信号在测量前对它实行分频, 例如 100MHZ 的信号经过 200 分频后就成 500KHZ,这样的频率 89C51 单片机是能接 受的,实现了测量范围的扩展。 等精度测量相位的误差来源与等精度测频相同,主要是
22、来自与量化误差1/n, 要尽量减少误差,应采用多周期平均值法,即多次测量取平均值。 第三章 系统硬件设计电路 31 测频电路设计 3、1、1 信号放大整形电路 一般被测信号都是小功率的正弦波,在被测之前要转换成等频率的方波,所以 在被测之前对信号要进行放大整形处理,放大器的品种很多,我们在着选择用价格 便宜的带有真差动输入的四低频率运算放大器 LM324,与单电源应用场合的标准运 算放大器相比,它有一些显著的优点。该四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电源下,静态电流大致为 MC1741 的静态电流的五分之一(对每一个放大器 而言) 。共模输入范围包括负电源,因而消除了许多应
23、用场合中采用的外部偏置元件 的必要性。输出电压范围也包含负电源电压。它有如下特点:短路保护输出。 真差动输入级。单电源工作:3.0 伏到 32 伏。低输入偏置电流:最大 100 纳安。 每一封装四个放大器,内部补偿。共模范围扩大到负电源。在输入端的静电 放电箱位增加可靠性而不影响器件工作。每一组运算放大器可用图 1 所示的符号来 表示,它有 5 个引出脚,其中“+” 、 “-”为两个信号输入端, “V+” 、 “V-”为正、负 电源端, “Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输 出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端 V
24、o 的信号与该输入端的相位相同。LM324 的引脚排列见图 3-1。 图 3-1 LM324 引脚 其放大电路如图所示 - + LM324 ui +vcc ci R4 Rf R3 C2 R1 R2 C0 U0 Ci 100k 100k 4。7uF ui 2.5v u0 图 3-2 放大电路 1 图 3-3 放大信号 1 其中 Ci 起隔直通交的作用,通常用 0.47uF,电路的电压放大倍数 Av 仅由外接电 阻决定:Av=1+Rf/R4。在这里设置放大倍数为 11,选择 Rf 为 10K,R4 为 100K,因 为考虑到 LM324 的工作电压范围大从 3 伏到 32 伏。这样设计的同相交流放
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