基于DSP的低頻數字式相位測量?jì)x的設計

摘要：本文提出了一種基于TMS320VC5402的低頻數字式相位測量?jì)x的設計方法。
關(guān)鍵詞：DSP；低頻；數字式；相位測量；SCM

引言

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，電子技術(shù)廣泛的應用于工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、航空航天、國防建設等國民經(jīng)濟的諸多領(lǐng)域中，而電子測量技術(shù)又是電子技術(shù)中進(jìn)行信息檢測的重要手段，在現代科學(xué)技術(shù)中占有舉足輕重的作用和地位。低頻數字式相位測試儀在工業(yè)領(lǐng)域中是經(jīng)常用到的一般測量工具，比如在電力系統中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時(shí)，要求兩電網(wǎng)的電信號相同，這就要求精確的測量?jì)晒ゎl信號之間的相位差。還有測量?jì)闪型l信號的相位差在研究網(wǎng)絡(luò )、系統的頻率特性中具有重要意義。近年來(lái)，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，很多測量?jì)x逐漸向“智能儀器”和“自動(dòng)測試系統”發(fā)展，這使得儀器的使用比較簡(jiǎn)單，功能越來(lái)越多。本低頻數字式相位測量?jì)x由TMS320VC5402、AT89S52和小規模集成電路構成。由于TMS320VC5402和AT89S52芯片的集成度高、 智能程度高、功能強大，使得它實(shí)現起來(lái)比較簡(jiǎn)單，而且，具有體積小、性?xún)r(jià)比高、性能穩定的特點(diǎn)。

系統硬件

此低頻數字式相位測量?jì)x的目的是將輸入的信號先進(jìn)行信號整形，然后送給移相網(wǎng)絡(luò )，再送給TMS320VC5402處理，最后將結果送給AT89S52，并由AT89S52控制LCD顯示測量結果。系統框圖如圖1所示。

圖1 低頻數字式相位測量?jì)x系統框圖

該系統以TMS320VC5402為核心，對待測量信號進(jìn)行采集和處理，包括整形和移相電路，把采集來(lái)的模擬信號轉換為數字信號。其中SRAM和Flash分別為T(mén)MS320VC5402的 數據存儲器和程序存儲器。鍵盤(pán)和顯示部分則由AT89S52來(lái)控制，AT89S52把鍵盤(pán)操作轉換為控制信號再傳送給TMS320VC5402，控制系統是進(jìn)行相位測量還是周期、頻率、脈寬、占空比測量，TMS320VC5402把要顯示的系統狀態(tài)送給AT89S52，以實(shí)現LCD顯示。這些硬件工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 硬件系統的工作流程

整形電路

相位儀輸入整形電路的原理是兩路正弦輸入信號經(jīng)過(guò)LM324比較器整形，產(chǎn)生兩路方波信號。經(jīng)4013D觸發(fā)器進(jìn)行二分頻(用于判斷相位差為180o時(shí)能正常產(chǎn)生鑒相脈沖)，送到4076異或門(mén)進(jìn)行鑒相，鑒相脈沖送單片機實(shí)現相位差測量。整形電路如圖3所示。

移相電路

移相電路通過(guò)一個(gè)超前移相和一個(gè)滯后移相網(wǎng)絡(luò )構成，通過(guò)兩個(gè)電壓跟隨器后產(chǎn)生移相信號。通過(guò)改變移相電路(圖4)所示電壓跟隨器輸出的電位器，可實(shí)現相位差連續相移范圍-45o~ +45o。因此，當輸入信號頻率變化時(shí)，通過(guò)改變電位器RW可實(shí)現-45o~+45o連續移相。

TMS320VC5402與AT89S52的通信

AT89S52和TMS320VC5402各自獨立工作，其信息和數據交換通過(guò)共享一片外部存儲器來(lái)實(shí)現，它們之間信號聯(lián)絡(luò )通過(guò)硬連接和軟件判斷來(lái)實(shí)現。

外部存儲器采用的是CY7C133，它是高速的2K16bit的靜態(tài)異步雙端口RAM，其存儲速度為25ns。它有兩套獨立的地址線(xiàn)、數據線(xiàn)和控制信號線(xiàn)，允許兩個(gè)控制器件中的數據通過(guò)共同連接的存儲器來(lái)進(jìn)行通信。該雙端口RAM允許兩個(gè)控制器同時(shí)讀取任何存儲單元(包括同時(shí)讀同一單元)，但不允許同時(shí)寫(xiě)或者一讀一寫(xiě)統一地址單元。

對于TMS320VC5402，數據存儲器CY7C133的對應地址為4000H~47FFH。

對于A(yíng)T89S52，數據存儲器CY7C133的對應地址為2000H~27FFH。

TMS320VC5402與AT89S52的硬件接口電路如圖5所示。

系統軟件

本系統中主要應用TMS320VC5402實(shí)現測量脈寬、周期、相位、占空比和頻率并將測量結果送給AT89S52控制LCD顯示。單片機控制系統采用6個(gè)按鍵，分別是A、f、q、Ф、T、Tw,其功能是復位、測頻率、測占空比、測相位差、測周期、測脈寬，在按下復位鍵后系統自動(dòng)復位，然后根據要求選擇所需按鍵進(jìn)行測量?？偝绦蛄鞒虉D如圖6所示。

相位測量

輸入兩路同頻率的正弦波信號，其波形表達式分別為：

其中n1、n2為電壓瞬時(shí)值，Vm1、Vm2為電壓的幅值，w為角頻率，w1、w2為初始相角。

當兩路信號的頻率相同時(shí)，相角差q=w1-w2是一個(gè)與時(shí)間無(wú)關(guān)的常數，將此兩路正弦波信號經(jīng)過(guò)放大整形成兩路占空比為50%的正方波信號f1、f2，經(jīng)過(guò)異或門(mén)輸出一個(gè)脈沖序列A，與晶振產(chǎn)生的基準脈沖波B進(jìn)行與操作得到調制后的波形C，在一定的時(shí)間范圍內對B、C中脈沖的個(gè)數進(jìn)行計數得Nc、Nb，則其相位差為。

周期、頻率、脈寬和占空比測量

從某個(gè)上升沿開(kāi)始計時(shí)，到下一個(gè)到來(lái)時(shí)結束計時(shí)，即為一個(gè)周期；對周期取倒數即為頻率；從某個(gè)上升沿開(kāi)始計時(shí)，到緊接著(zhù)的一個(gè)下降沿結束計時(shí)(高電平的持續時(shí)間)即為脈寬；脈寬與周期之比即為占空比。

結語(yǔ)

實(shí)驗證明，本系統能夠精確地測量出輸入信號的相位、周期、頻率、脈寬和占空比，且具有體積小、操作靈活、性能穩定和性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)。
　　
參考文獻：
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