簡易數(shù)字相位差計
一、方案設(shè)計
1.1方案概述
數(shù)字相位差計包括外部電路與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
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)實時監(jiān)控電平變換，從而控制計數(shù)器對定時器晶振進行計數(shù)，經(jīng)過算法運算后，在數(shù)碼管上顯示出相位差的數(shù)值。
2.2脈沖計數(shù)法相位差測量原理[1]
圖2 相位差計原理圖
設(shè)被測兩信號的時間間隔為
(1)
式中，
—在
時間內(nèi)晶振計數(shù)脈沖的個數(shù)；
—晶振信號周期。
數(shù)字式相位計波形圖如圖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。
若讓計數(shù)器在1s內(nèi)連續(xù)計數(shù)，即1s內(nèi)有
個門控信號，則其累計計數(shù)為：
(4)
式中，
—1s中晶振累計脈沖數(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“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。
當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。
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，并具有開放性和可擴充性，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)計中。
四、系統(tǒng)設(shè)計
4.1 外部電路
圖3 外部電路圖
本項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)實時監(jiān)控兩個輸入信號（其作用相當于“異或門”），控制計數(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進行算法運算，實時輸出到數(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)計采用的是163.28Kz頻率的晶振，當檢測到輸入信號時晶振便開始產(chǎn)生脈沖，計數(shù)器（計數(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現(xiàn)：
①定時器計數(shù)讀出；
②計數(shù)器清零；
③對累計的脈沖數(shù)進行均值算法。
計數(shù)器：由中斷系統(tǒng)控制，進行清零和計數(shù)這兩個任務(wù)。鑒于計數(shù)器在于累計計數(shù)時有上限，故程序設(shè)置計數(shù)器每次累計到程序設(shè)定值時自動清零。
CPU處理器：用于接收計數(shù)器輸出的數(shù)字，根據(jù)脈沖計數(shù)法相位差測量原理進行算法運算（包括平均值運算），并將結(jié)果輸出到數(shù)碼管。
數(shù)碼管顯示：本項目數(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)實時顯示，并且把小數(shù)點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行顯示的，最后一位是用來進行小數(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。
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實驗數(shù)據(jù)
頻率： Hz 幅值：3V
組號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
實際數(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：
標準差估計值：
算數(shù)平均值的標準誤差估計值：
算數(shù)平均值的置信限：
當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，但實際情況為圖4的實線，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�，從而產(chǎn)生誤差。
圖4實際輸出方波比較圖
（3）計數(shù)器在對晶振脈沖進行計數(shù)時，脈沖頻率過高時，計數(shù)器對一個相位差脈寬脈沖過多，計數(shù)器計數(shù)準確率會降低，會產(chǎn)生誤差。
脈沖頻率過低時，計數(shù)器對一個相位差脈寬內(nèi)的晶振脈沖計數(shù)更準確，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
改進方法：本設(shè)計將晶振的頻率設(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。
隨機誤差：
5.3.3結(jié)果分析
5.4測試出現(xiàn)問題及解決方法
解決方法：這種問題是由于硬件性能不夠精準而產(chǎn)生的問題，我們對所測得的數(shù)組數(shù)據(jù)進行處理，即求測量數(shù)據(jù)的偏差均值，對軟件算法進行修改來補償硬件所造成的誤差。
附錄：
主程序
相位差計.docx
(260.3 KB, 下載次數(shù): 49)
| 歡迎光臨 (http://www.torrancerestoration.com/bbs/) | Powered by Discuz! X3.1 |