相頻特性測試儀參賽隊員：陳麗鳳 劉 科 劉水源指導老師：王建波摘要： 本系統以STM32單片機為核心，利用單片機的DA模擬DDS原理產生正弦信號，經低通濾波器和隔直電容后得到平滑的正弦波；然后利用分兩路信號輸出，一路經過比較器得到方波信號，另一路信號先經過帶通濾波網絡后得到移相的正弦波，再通過比較器得到方波信號，兩路方波信號經過異或門得到一個方波信號，方波信號的正頻寬即可代表相移度數；同時這兩路信號也進入D觸發器的輸入端，通過輸出端判定相位超前還是滯后關系。最后通過單片機的AD采集異或門芯片的輸出端，經過計算后求出相位差。關鍵詞：DDS；異或門；D觸發器；相位差一、 方案論證與對比1. 正弦信號產生方案選擇 方案1：采用專用DDS芯片。優點是硬件電路簡單，無需對輸出信號進行二次處理。缺點是價格比較昂貴。方案2：采用單片機模擬DDS原理輸出正弦信號。優點是成本較低，只需將正弦波形表存于單片機FLASH中，然后利用DA按照設定的方式輸出正弦波形表中的數據，然后經過低通濾波后就可以得到平滑的正弦波。缺點是需要對濾波器精心設計，否則得到的波形將會失真。最終本作品選擇了該方案。2. 鑒相方案選擇方案1：雙邊帶調制法，通過模擬乘法器實現雙邊帶調制從而得到常量Umcos(12)和以2w為角頻率的余弦信號Umcos(2wt+1+2)，其中Um=0.5U1mU2m。通過低通濾波器濾除交流信號，便可以得到只包含有Umcos(12)分量的直流分量。在通過對兩路正弦信號進行整流和濾波得到U1m、U2m，就可以計算出相位差的余弦，對其求反余弦便可以得到相位差。該方案在整流和AD采樣將會引入一定的誤差，并且原理復雜。方案2：相位差-時間轉換法，將相位差的測量轉換為測量兩個正弦波形對應點的時間間隔，通過過零比較轉換為方波，測量方波上升沿的時間差，達到測量相位差的目的。該方案的優點是原理比較簡單，測量精度高。缺點是過零比較時容易受到干擾信號的影響而產生毛刺。最終本作品選擇了此方案。3. 顯示方案選擇方案1：外部觸發方式。優點是只需一個DA用于輸出信號，然后利用一個IO口產生觸發信號。缺點是實現信號與觸發信號之間的同步比較困難。方案2：XY方式。利用兩路DA分別輸出Y方向的信號和X方向的鋸齒波，從而可以在示波器上顯示穩定的波形。優點是實現方式比較簡單，對信號同步要求較低。缺點是需要占用兩路DA。最終本作品選擇該方案。系統整體框圖如圖1所示，利用單片機DA模擬DDS原理產生階梯狀正弦信號，經過低通濾波后得到平滑的正弦波，然后信號將分兩路進行處理。其中一路直接經比較器得到方波；另一路進入被測網絡，然后進入運算放大和電壓比較電路得到方波信號。然后將得到的兩路方波信號一路經過異或門得到表示相移量的方波；另一路經過D觸發器得到表示相位超前或者滯后的電平。最后通過單片機的AD采集。對相頻特性曲線的顯示則通過XY方式在示波器上顯示。單片機輸出正弦波低通濾波器電壓跟隨器電壓比較器被測網絡電壓比較器異或門D觸發器STM32圖1二、 理論分析與參數計算、電路設計1. 正弦信號產生電路分析由DDS原理可知，將正弦波數據表存于單片機中，然后利用單片機的DA將其輸出，就可以得到包絡為正弦的階梯波，然后經過低通濾波器濾除高頻分量從而可以得到平滑的正弦波。為了保證輸出精度，規定每個周期最少輸出10個點。設定點與點之間輸出時間間隔為50uS。因此，在頻率為2KHZ時每個周期輸出10個點；頻率為100HZ時，每個周期輸出2000個點。將含有2000個點的正弦波形表存于單片機中，通過改變取點步進從而可以達到改變正弦波輸出頻率的目的。經計算，當取點步進STEP=1時，輸出2000個點,輸出頻率為10HZ；當取點步進STEP=2時，輸出1000個點，頻率為20HZ；取點步進STEP=10時，輸出200個點，頻率為100HZ；取點步進STEP=200時，輸出10個點，頻率為2KHZ。由此得到的正弦信號的頻率范圍為10HZ到2KHZ，完全滿足題目要求，而且頻率步進可以達到10HZ，滿足發揮部分第一條指標。低通濾波器的設計十分重要，它決定了能否得到平滑且不失真正弦波。DA輸出的波形中除了包含有所需的頻率為f0的正弦波外，還含有存在于調制信號兩邊的各次諧波分量。其中影響最大的是鏡頻干擾，因此必須將其濾除，所以將低通濾波器的截止頻率設計為20KHZ。濾波器電路如圖2所示。由于DA輸出的正弦信號含有直流分量，因而需要通過隔直電路除去才能得到標準的正弦信號，隔直電路如圖3所示。 圖2 圖32. 鑒相電路分析首先將輸入輸出信號分別通過電壓比較器整形為方波，然后送鑒相器鑒相，經低通濾除其中的交流成份，取出直流成份，得到被測網絡相移信號，送A/D進行數據采集。原理框圖如圖4所示：圖4本系統鑒相器利用CD4030BE異或門數字芯片鑒相。但是它只能給出相移的大小信息，而無法判斷超前與滯后，所以我們另加一個相位極性判別電路。該電路如圖5所示：圖5將整形后的被測網絡輸入信號加到D觸發器CP端，將整形后的被測網絡輸出信號加到觸發器的D端，如圖所示，若超前，則對應上升沿處，為1，則D觸發器輸出為1。反之，滯后，則D觸發器輸出為0，將其輸出送往單片機，即可判斷相移的超前與滯后。3. 相頻特性曲線的顯示采用XY方式在示波器上顯示相頻特性曲線。將換算后的相位差經DA0輸出至液晶Y軸，將DA1輸出的用于掃描的鋸齒波送入X軸，便可以在液晶上顯示穩定的波形。4. 軟件分析本系統軟件包括正弦波輸出、相位差測量、相頻特性曲線顯示、按鍵輸入檢測、點頻輸出等程序模塊。系統程序流程圖如下：三、 測試與數據分析1. 測試儀器1.TDS2012B型模擬示波器2.F40型函數信號發生器/計數器2. 測試方法與測試結果2.1正弦信號頻率測試圖6如圖6，將單片機DA輸出的正弦信號經低通濾波器后直接接入計數器的信號輸入端，便可以讀出信號的頻率；測試結果如下：理論頻率（Hz）10050010002000500010000實際頻率（Hz）10050010012003500910020測試結論：在頻率10K的時候誤差為20Hz，超過擴展指標要求的頻率誤差低于|10Hz|。但是在100Hz到5KHz的時候最大誤差為9Hz，達到了指標要求。2.2相差頻率測試圖7如圖7，連接好測試電路后，測出不同頻率下兩信號的相位差，同時讀出單片機顯示的結果并記錄下來。測試結果如下圖：信號頻率（Hz）10050010002000500010000實際相位差+130+80+30+7-132-178檢測相位差+127+70+31+10-130-170測試結論：相位差誤差小于10，