相位差测量系统的硬件电路

车翼飞

(黑龙江农业工程职业学院 信息学院，哈尔滨 150088)

相位差测量系统的硬件电路

车翼飞

(黑龙江农业工程职业学院 信息学院，哈尔滨 150088)

为精确测量两个同频率信号的相位差，设计一种基于DSP的相位差测量系统。该系统采用DSP2812作为测量的主控芯片，其内部集成有捕获单元和A/D模块;运用信道交换技术和降频技术，消除通道带来的附加相移，并将高频信号转化为低频信号以便于测量。测试结果表明，两路输入信号相同时，输入信号频率过大或是过小，测量频率和相位的精度均会明显降低，幅值精度变化不大;两路输入信号峰值、频率相同，相位可变时，信号频率增加或信号幅值过小，系统的测量精度均会有所下降。该相位差测量系统能够实现对两路同频信号的幅值、频率和相位差的精确测量，且可以进一步扩展以实现对多路信号相位差的测量。

相位差测量;降频电路;信道交换;DSP

相位差即两个同频率信号之间的相位差值，是电气测量的基本内容之一［1］。相位差测量技术已经广泛应用到各个领域，尤其是电气电子测量及非电量测量方面。近几年，随着计算机技术和电子技术的发展，现有相位差测量仪已不能满足应用要求［2］，存在测量精度低［3］，仪器种类少、功能单一［4］、体积大等不足［5］。因此，迫切需要一种在宽频带范围内测量精度高、功能多样化、方便携带的相位差测量仪。为解决这一问题，笔者设计了一种基于DSP的相位差测量系统，该系统可实现在低频范围内对两路同频正弦信号的相位差、频率和幅值的精确测量。

1 相位差测量系统

1.1 总体设计

相位差测量系统总体设计如图1所示。该系统主要由自动量程转换电路、半波精密整流电路、放大电路、多路模拟开关、降频电路、整形电路、相位超前滞后判断电路、DSP、显示器组成。

图中X1和X2为两路同频率的待测正弦交流信号。DSP2812中集成的A/D转换器的模拟输入电压范围是0～3 V，当待测信号幅值大于3 V或比较微弱时，需要进行适当衰减或放大，才能保证测量精度［6］，因此，该测量系统中设计了自动量程转换电路。根据输入信号的幅值大小，自动量程转换电路中的程控放大电路会选用合适的放大系数对输入信号幅值进行放大或衰减，但其输出信号是幅值为0.3～3 V的正弦交流信号，必须对该输出信号整流使其变为单极性信号才能送入到A/D转换器中进行幅值测量，因此在程控放大电路后加入半波整流电路。测量系统对高频信号和低频信号采用不同的测量通道，测量通道的变换由多路模拟开关来实现:当输入的待测信号为低频信号时，直接由整形电路整形后输入DSP进行相位差测量;当输入的待测信号为高频信号时，首先对信号进行降频处理［7］，之后再对信号整形，最后输入到DSP进行相位差测量。由于DSP中的捕获单元只能捕获0～3 V的方波信号，因此采用整形电路将正弦信号整形为方波信号。图1中的D触发器用于判断两路待测信号相位的超前滞后关系。两路待测信号经过各自的通道后会产生附加的相位差，系统采用信道交换技术来消除。

图1 相位差测量系统Fig.1 Phase difference measurement system

1.2 硬件电路

1.2.1 自动量程转换电路

自动量程转换电路由程控放大电路和DSP控制组成，如图2所示。

图2 自动量程转换原理框图Fig.2 Principle chart of range automatic switch

程控放大电路由集成运放AD8066和多路模拟开关CD4052组成，其增益由多路模拟开关的控制端来控制。如图3所示，程控放大电路的增益分为10、1、1/10三个档，相应的可将待测信号分为0.03～0.3、0.3～3、3～30 V三个量程范围，若待测信号处于这三个量程范围中，只要选择合适的放大或衰减系数，输出信号的幅值范围均为0.3～3 V。

图3 程控放大电路Fig.3 Program-controlled amplification circuit

图4为图3所示的程控放大电路简化后的等效电路图，其中Ron1和Ron2分别是两个对应的导通通道的导通电阻。根据“虚短”、“虚断”原则，Uo=Un，Un=Up，Up=U1，可得出Uo=U1，即多路模拟开关的导通电阻对电路基本不造成影响。因此，

由式(1)可知，当R1为固定值时只要不断改变反馈电阻RF就可使程控放大电路的增益改变。

图4 程控放大电路的等效电路Fig.4 Equivalent circuit of program-controlled amplification circuit

1.2.2 半波整流电路

图5为半波精密整流电路。该电路将交流信号转换成直流信号，而且输出保留输入电压的形状，如图6所示。

图5 半波精密整流电路Fig.5 Half-wave precision rectifier circuit

图6 半波精密整流电路的波形Fig.6 Waveform of half-wave precision rectifier circuit

1.2.3 放大电路

图7 放大电路Fig.7 Amplifier circuit

1.2.4 降频电路

降频电路主要功能是将两路高频信号转化为两路低频信号而不影响它们之间的相位差，该电路主要由多路模拟开关CD4052、电压跟随器、低通滤波器组成，如图8所示。

图8 降频电路Fig.8 Frequency reduction circuit

考虑到低通滤波器的性能直接影响相位差测量系统的精度和测量范围［8］，这里的低通滤波器采用二阶低通滤波器。该滤波器能够在阻带内提供－40 dB/10倍频的衰减速率，而一般的滤波器只能够提供－20 dB/10倍频的衰减速率，另外，它可以使信号在滤波的同时放大，为整形电路整形作准备。R16、R17、C1和C2值的选取根据实际电路特性确定。

实际测量数据显示，测量电路在1 kHz时测量精度比较高，理论上此低通滤波器截止频率应设计为1 kHz，考虑滤波器实际衰减特性及实际测试数据将截止频率设计为500 Hz。

1.2.5 整形电路

由于DSP的捕获单元只能捕获输入信号的上升沿或下降沿，因此需要将正弦信号整形为方波信号。图9所示的整形电路可将输入的正弦信号整形为幅值3.3 V、占空比50%的方波信号。

图9 整形电路Fig.9 Shaping circuit

整形电路采用集成运放LF353组成过零比较器，当输入信号Ui＞0时，集成运放输出高电平;当输入信号Ui＜0时，集成运放输出低电平。由于LF353的供电电压为±5 V，所以LF353输出的方波信号高电平为+5 V，低电平为－5 V，且不能直接送入到DSP进行测量，还需要对方波进行处理。利用二极管的单向导通性将方波的负电平处理掉，再采用电阻分压对高电平进行衰减，可以得到高电平为3.3 V的方波信号(图10)，此方波可以直接送入DSP进行处理。

图10 整形电路的输入输出波形Fig.10 Input and output waveforms of shaping circuit

1.2.6 相位超前滞后判断

如图1所示，在整形电路后加一个D触发器74HCT74用于判断两路待测信号相位的超前滞后关系。整形得到的方波信号X4作为D触发器时钟脉冲，X3作为D触发器的输入信号。如图11所示，当X3的相位超前于X4相位0°～180°时，D触发器的Q输出端为高电平;当X3的相位超前于X4相位0°～－180°时，D触发器的Q输出端为低电平。DSP通过检测D触发器的Q端就可以判断两路待测信号在－180°～+180°内的相位差。

图11 相位关系判断波形Fig.11 Waveform of phase relation judgment

1.2.7 附加相移的消除

在相位差测量中，两路输入待测信号需要进行放大、滤波、整形等，而通道中的元件和集成电路芯片不可能完全相同，因此造成了通道的不完全对称［9］。两个被测信号经过不对称的通道后会产生附加的相位差，而影响系统测量精度［10］。为了消除这一影响，采用信道交换技术来消除附加相移。

由图1所示，对于低频信号，S1S0分别为00和10时实现了通道的交换;对于高频信号，S1S0分别为01和11时实现了通道的交换。具体方法为:低频信号通道，可以先将S1S0端设置为00，测量相位差，然后再将S1S0设置为10再次测量相位差，求得两次测量结果平均值便得到两路待测信号之间的相位差θ，这样测量结果不再受附加相移影响。高频信号测量通道也采用同样方法，这里不再重复。

采用信道交换技术不仅可以提高系统的测量精度而且不需要任何额外的硬件电路，只需要软件控制就可以实现［11］。

2 系统测试

用DDS信号发生器产生两路频率和相位可变的标准正弦信号来测试相位差测量系统的实际性能。

实验一:两路输入信号为同一路正弦信号，即两路信号之间的相位差为零。输入信号的峰峰值Vp－p=8 V，相位差θ=0°，不断改变其频率，得到的测试数据如表1所示，其中，θ'为测量相位差，Up－p为测量幅值，f为实际频率，f'为测量频率。

表1 输入同一信号的测试结果Table 1 Results of testing same input signal

从表1可以看出，输入信号频率过大或是过小，频率测量和相位测量的精度都会明显降低，幅值测量的精度也会受到影响，但是变化不是很大。

实验二:输入两路频率相同、相位可变的正弦信号。该实验分为两组，第一组测试峰峰值 Vp－p= 8 V，频率分别为10和50 kHz的正弦信号，第二组测试峰峰值Vp－p=2 V，频率分别为10和50 kHz的正弦信号，测试结果如表2所示。

由表2可以看出，当测量峰值一定，输入信号频率增加时，系统的测量精度会有所下降。当信号幅值过小时，测量精度也会下降。

由上述分析可知，该相位差测量系统可实现幅值、频率及相位差的测量，但系统也存在一定的测量误差，这些误差主要来源于以下几方面:一是系统两路通道不完全对称引入的误差;二是噪声干扰引入的误差;三是量化误差;四是测试信号引入的误差。实际运用过程中，可以通过利用软件进行误差补偿、采用滤波去除信号噪声、使用位数更高的A/D芯片等措施降低系统测量误差。

表2 不同输入信号的测试结果Table 2 Results of testing different input signal

3 结束语

基于DSP的相位差测量系统，采用程控放大电路实现自动量程转换，扩展了输入信号的幅值范围。采用新的降频方法测量高频信号的相位差，利用信道交换技术消除附加相位差，提高了相位差的测量精度。该设计利用DSP2812的强大功能实现了幅值、频率及相位差的同时测量，合理利用了资源，简化了硬件电路，为传统相位计的功能扩展提供了可能，同时很好地解决了现有相位差测量仪存在的问题。随着相位差应用范围的广泛以及DSP技术的发展，相位差测量仪的各项指标会提高，功能也将多样化。

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Hardware circuit desing of phase difference measurement system

CHE Yifei
(College of Information，College of Heilongjiang Agricultural Vocational Engineering，Harbin 150088，China)

For accurate measurement of the phase difference of the two same-frequency signals，a kind of phase difference measurement system based on DSP is designed.As the main control chip in the system，DSP2812 integrates capture unit and A/D module;Channel exchange technology and frequency reduction technology are used to eliminate additional phase shift by channel，and convert high frequency signals to low frequency signal before being measured.The test results show that the two input signals are the same，if the input signal frequency is too large or too small，the accuracy of measuring frequency and phase will be significantly reduced，little change in amplitude accuracy;two peak input signal，the same frequency，the phase can be changed，the increase in signal frequency or signal amplitude is too small，the system accuracy will decline.Experimental results show that the phase difference measurement system can well measure amplitude frequency and phase difference of two input signals with the same frequency.The system can also be further extended to realize to phase difference measurement of multi-channel signals.

phase difference measurement;frequency reduction circuit;channel exchange;digital signal processing

TM933.312

A

1671－0118(2012)02－0187－05

2012－02－21

车翼飞(1980－)，女，吉林省长春人，讲师，硕士，研究方向:电子信息工程，E-mail:cheyifei62@sohu.com。

(编辑荀海鑫)