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簡易數(shù)字相位差計(jì)課程設(shè)計(jì)總結(jié)書

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ID:295503 發(fā)表于 2018-3-22 15:06 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
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簡易數(shù)字相位差計(jì)
課程設(shè)計(jì)總結(jié)書
學(xué)院：   機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)： 電氣工程及其自動化
班級：
小組：
姓名：
指導(dǎo)教師：
二〇一二年三月

目錄
方案設(shè)計(jì)1
    11方案概述1
    12技術(shù)指標(biāo)1
工作原理1
    21系統(tǒng)概述1
    22脈沖計(jì)數(shù)法相位差測量原理2
器件選擇3
    31LM311P3
    32ARM開發(fā)板4
系統(tǒng)設(shè)計(jì)4
    41外部電路4
    42ARM開發(fā)板5
系統(tǒng)測試6
    51測試儀器6
    52測試方法6
    53測試結(jié)果6
    54測試出現(xiàn)問題及解決方法10
心得體會10
參考文獻(xiàn)11
附錄12

簡易數(shù)字相位差計(jì)

一、方案設(shè)計(jì)

1.1方案概述

數(shù)字相位差計(jì)包括外部電路與ARM開發(fā)板兩部分，外部電路主要利用電壓比較器，將正弦波輸入信號轉(zhuǎn)化為方波；ARM開發(fā)板主要用到的模塊為定時器模塊、計(jì)數(shù)器模塊、中斷系統(tǒng)模塊、CPU處理模塊和數(shù)碼管顯示模塊，系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2技術(shù)指標(biāo)

相位差測量范圍：0 ～ 180°

數(shù)碼顯示：4位數(shù)碼顯示

相位差分辨率：0.1°

識別信號范圍：電壓3V，頻率

工作方式：連續(xù)

二、工作原理

2.1系統(tǒng)概述

兩個同頻被測正弦信號分別經(jīng)過相同型號的電壓比較器與1.5V的固定電壓比較后得到兩個有相位差的方波，然后將兩個方波輸入到ARM開發(fā)板上，由中斷系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控電平變換，從而控制計(jì)數(shù)器對定時器晶振進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)過算法運(yùn)算后，在數(shù)碼管上顯示出相位差的數(shù)值。

2.2脈沖計(jì)數(shù)法相位差測量原理[1]

                   圖2 相位差計(jì)原理圖

設(shè)被測兩信號的時間間隔為

                                (1)

式中，—在時間內(nèi)晶振計(jì)數(shù)脈沖的個數(shù)；

      —晶振信號周期。

數(shù)字式相位計(jì)波形圖如圖2所示，由圖可知

                                   (2)

式中，—兩被測信號的相位差；

      —被測信號的周期。

將式（1）帶入式（2）得

             (3)

式中，—被測信號頻率；

      —晶振信號頻率。

    若讓計(jì)數(shù)器在1s內(nèi)連續(xù)計(jì)數(shù)，即1s內(nèi)有個門控信號，則其累計(jì)計(jì)數(shù)為：

                                                (4)

式中，—1s中晶振累計(jì)脈沖數(shù)量。

將式（4）代入式（3）得

                                             (5)

若取晶振頻率，則

                                    (6)

三、器件選擇

3.1 LM311P

LM311P電壓比較器是單比較器可以將模擬信號轉(zhuǎn)換成二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的信號。該比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓，另一端加一個待比較的信號電壓。在二者幅度相等時，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，即：

當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。

當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。

3.4 ARM開發(fā)板

ARM作為嵌入式系統(tǒng)的處理器，具有低電壓，低功耗和高集成度等特點(diǎn)，并具有開放性和可擴(kuò)充性，其能在電源電壓為2.7V－3.6V的范圍正常工作，其對外電路的供電電源為4V。開發(fā)板包括定時器（含晶振）、計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、CPU處理器、數(shù)碼管顯示器、A/D和D\A轉(zhuǎn)換器等模塊，該開發(fā)板可以應(yīng)用到本設(shè)計(jì)中。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 外部電路


圖3 外部電路圖

    本項(xiàng)目外部電路由兩個如圖3所示的電路組成，其中為輸入信號（正弦波），為經(jīng)過電壓比較器處理過后的輸出信號（方波）。

4.2 ARM開發(fā)板

4.2.1工作過程簡述

當(dāng)ARM開發(fā)板接收到兩個輸入信號時，定時器的晶振啟動，同時中斷系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控兩個輸入信號（其作用相當(dāng)于“異或門”），控制計(jì)數(shù)器讀出兩信號在（0，1）或（1，0）時晶振產(chǎn)生的脈沖次數(shù)，并通過CPU進(jìn)行算法運(yùn)算，實(shí)時輸出到數(shù)碼管顯示器上（框圖如圖1 ARM開發(fā)板模塊）。

4.2.2模塊介紹

定時器:定時器的內(nèi)部晶振頻率為...，可以通過分頻的方法設(shè)置所需頻率的晶振。本設(shè)計(jì)采用的是163.28Kz頻率的晶振，當(dāng)檢測到輸入信號時晶振便開始產(chǎn)生脈沖，計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)定時器）溢出周期為0.4s。由此估測所能測得最低頻率為3Hz。（輸入波形周期不能超過定時器溢出周期）。

中斷系統(tǒng)：本設(shè)計(jì)設(shè)置兩個中斷，采用上升沿中斷，分別捕獲輸入IO口的兩路波形的上升沿。在每個上升沿中斷處實(shí)現(xiàn)：

    ①定時器計(jì)數(shù)讀出；

    ②計(jì)數(shù)器清零；

    ③對累計(jì)的脈沖數(shù)進(jìn)行均值算法。

計(jì)數(shù)器：由中斷系統(tǒng)控制，進(jìn)行清零和計(jì)數(shù)這兩個任務(wù)。鑒于計(jì)數(shù)器在于累計(jì)計(jì)數(shù)時有上限，故程序設(shè)置計(jì)數(shù)器每次累計(jì)到程序設(shè)定值時自動清零。

CPU處理器：用于接收計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)法相位差測量原理進(jìn)行算法運(yùn)算（包括平均值運(yùn)算），并將結(jié)果輸出到數(shù)碼管。

數(shù)碼管顯示：本項(xiàng)目數(shù)碼管采用八段數(shù)碼管作為輸出顯示器件。顯示方式為動態(tài)實(shí)時顯示，并且把小數(shù)點(diǎn)一直顯示到最后一位，此時，LED 數(shù)碼管的第一、二、三位是用來對相位差進(jìn)行顯示的，最后一位是用來進(jìn)行小數(shù)顯示的。

五、系統(tǒng)測試

5.1測試儀器

    信號發(fā)生器、數(shù)字式相位差計(jì)。

5.2測試方法

利用信號發(fā)生器產(chǎn)生兩個同頻信號，不斷改變兩個信號的相位差，并分別記錄下信號發(fā)生器的相位差設(shè)設(shè)置數(shù)據(jù)與數(shù)字相位差即所測量出的數(shù)據(jù)，各7組。

5.3測試結(jié)果

5.3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

頻率： Hz   幅值：3V

組號

1

2

3

4

5

6

7

實(shí)際數(shù)據(jù)















測量數(shù)據(jù)

















                                       頻率：  Hz   幅值：3V

組號

1

2

3

4

5

6

7

實(shí)際數(shù)據(jù)















測量數(shù)據(jù)















                                       頻率：  Hz   幅值：3V                                                              

組號

1

2

3

4

5

6

7

實(shí)際數(shù)據(jù)















測量數(shù)據(jù)
















                                      頻率：  Hz   幅值：3V

組號

1

2

3

4

5

6

7

實(shí)際數(shù)據(jù)















測量數(shù)據(jù)
















5.3.2數(shù)據(jù)處理

算數(shù)平均值：

標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值：

算數(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差估計(jì)值：

算數(shù)平均值的置信限：

當(dāng)P=，時，查表得

測量結(jié)果：




5.3.3誤差分析

系統(tǒng)誤差：

（1）LM311P是高增益,寬頻帶器件,如果輸出端到輸入端有寄生電容而產(chǎn)生耦合,當(dāng)比較器改變狀態(tài)時，輸出信號很容易產(chǎn)生振蕩。這種現(xiàn)象出現(xiàn)在當(dāng)比較器改變狀態(tài)時,輸出電壓過渡的間隙，從而使得生成的方波產(chǎn)生誤差。

改進(jìn)方法：采用遲滯比較器代替單限比較器，即在單限比較器電路中引入正反饋，從而加快比較器的響應(yīng)速度，免除由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩。但是反饋電阻阻值的選擇也尤為重要，反饋電阻過大導(dǎo)致比較器的比較精度降低，反饋電阻過小導(dǎo)致比較器高低電平的變化速率降低，經(jīng)過多次模擬仿真，我們選擇43作為我們電路中的反饋電阻。

（2）本設(shè)計(jì)是將輸入信號與1.5V的電壓比較，大于1.5V為高電平，小于1.5V的為低電平。如圖4所示虛線為信號通過比較器后的理想輸出波形，但實(shí)際情況為圖4的實(shí)線，由于導(dǎo)線和電阻的影響導(dǎo)致固定電壓大于（或小于）1.5V，從而使得輸出方波的高電平脈寬偏�。ɑ蚱螅瑥亩a(chǎn)生誤差。




圖4實(shí)際輸出方波比較圖

（3）計(jì)數(shù)器在對晶振脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)時，脈沖頻率過高時，計(jì)數(shù)器對一個相位差脈寬脈沖過多，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率會降低，會產(chǎn)生誤差。

脈沖頻率過低時，計(jì)數(shù)器對一個相位差脈寬內(nèi)的晶振脈沖計(jì)數(shù)更準(zhǔn)確，但是脈沖數(shù)量過少不能完整表示整個相位差的脈寬，會產(chǎn)生誤差。

圖5 晶振脈沖示意圖

改進(jìn)方法：本設(shè)計(jì)將晶振的頻率設(shè)置為163.28Kz，從而減小了由于頻率過高或過低而產(chǎn)生的誤差。

隨機(jī)誤差：






5.3.3結(jié)果分析






5.4測試出現(xiàn)問題及解決方法

  • 我們將輸入信號頻率分別設(shè)置為1kHz、100Hz、50Hz和10Hz四種情況，分別對其相位差從0°～180°，每隔30°進(jìn)行測試，并記錄下數(shù)據(jù)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的精度不高，每次測量均會偏大2°左右，產(chǎn)生誤差。

解決方法：這種問題是由于硬件性能不夠精準(zhǔn)而產(chǎn)生的問題，我們對所測得的數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即求測量數(shù)據(jù)的偏差均值，對軟件算法進(jìn)行修改來補(bǔ)償硬件所造成的誤差。

  • 當(dāng)輸入信號頻率較低為10Hz時，數(shù)碼管顯示相位差數(shù)據(jù)會出現(xiàn)抖動的情況，該問題屬于硬件問題，難以解決。

  • 心得體會

附錄：

主程序

  1. LDD_TDeviceData* Timer;
  2. char segment_tab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
  3. char segment[4];
  4. extern unsigned int sum_low;
  5. extern unsigned int sum_high;
  6. extern unsigned int count_low;
  7. extern unsigned int count_high;
  8. extern double fai;
  9. extern unsigned int low_time;
  10. extern unsigned int high_time;
  11. double true_fai = 1234.5;

  13. void delay_ms(int ms)
  14. {for(int i=0;i<2000*ms;i++);}

  16. void display(int num)                            //賦值
  17. {
  18.               segment[3]=segment_tab[num%10];
  19.               segment[2]=segment_tab[num/10%10]&0x7f;
  20.               segment[1]=segment_tab[num/100%10];
  21.               segment[0]=segment_tab[num/1000%10];
  22. }
  23. void display_scan()                            //顯示
  24. {
  25.               static int i=0;
  26.               DG1_PutVal(1);
  27.               DG2_PutVal(1);
  28.               DG3_PutVal(1);
  29.               DG4_PutVal(1);

  31.               segment_PutVal(segment[i]);
  32.               switch(i)
  33.               {
  34.               case 0:
  35.                             DG1_PutVal(0);
  36.                             break;
  37.               case 1:
  38.                                           DG2_PutVal(0);
  39.                                           break;
  40.               case 2:
  41.                                           DG3_PutVal(0);
  42.                                           break;
  43.               case 3:
  44.                                           DG4_PutVal(0);
  45.                                           break;

  47.               }
  48.               i=(i+1)%4;
  49. }
  50. /*lint -save  -e970 Disable MISRA rule (6.3) checking. */
  51. int main(void)
  52. /*lint -restore Enable MISRA rule (6.3) checking. */
  53. {
  54.   /* Write your local variable definition here */

  56.   /*** Processor Expert internal initialization. DON'T REMOVE THIS CODE!!! ***/
  57.   PE_low_level_init();
  58.   Timer = TU1_Init(NULL);
  59.   /*** End of Processor Expert internal initialization.                    ***/

  61. while(1)
  62. {
  63.                             if(count_low==100&&count_high==100)
  64.               {
  65.                             fai=(double)sum_high/(sum_high+sum_low);
  66.                             if(fai<0.5)
  67.                                           true_fai=360*fai;
  68.                             else
  69.                                           true_fai=360*(1-fai);
  70.                             sum_high=0;
  71.                             sum_low=0;
  72.                             count_low=0;
  73.                             count_high=0;

  75.               }
  76.               display(sum_high);
  77.               display(true_fai*10);
  78.               display_scan();
  79.               delay_ms(1);
  80. }
  81. extern LDD_TDeviceData* Timer;
  82. unsigned int low_time;
  83. unsigned int high_time;
  84. unsigned int sum_low=0;
  85. unsigned int sum_high=0;
  86. unsigned int count_low=0;
  87. unsigned int count_high=0;
  88. double fai;

  90. 中斷1程序：
  91. void EInt1_OnInterrupt(void){
  92.   /* Write your code here ... */
  93.               unsigned char edge1;

  95.               edge1=EInt1_GetVal();
  96.               if(edge1==1)
  97.               {
  98.                             low_time=TU1_GetCounterValue(Timer);
  99.                             TU1_ResetCounter(Timer);
  100.                             if(count_low<100)
  101.                             {
  102.                                           sum_low+=low_time;
  103.                                           count_low++;
  104.                             }


  107.               }


  110. }

  112. void TU1_OnCounterRestart(LDD_TUserData *UserDataPtr)
  113. {
  114.   /* Write your code here ... */
  115. }

  117. 中斷2程序：
  118. void EInt2_OnInterrupt(void)
  119. {
  120.               unsigned char edge2;
  121.               edge2=EInt2_GetVal();
  122.               if(edge2==1)
  123.               {
  124.                             high_time=TU1_GetCounterValue(Timer);
  125.                             TU1_ResetCounter(Timer);
  126.                             if(count_high<100)
  127.                             {
  128.                                           sum_high+=high_time;
  129.                                           count_high++;
  130.                             }
  131.               }
  132. }
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沙發(fā)
ID:872463 發(fā)表于 2021-1-3 10:33 | 只看該作者
您好，請問有完整的電路圖嗎
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