原创 【博客大赛】【原创】低频数字式相位测量仪

一、        方案论证与选择

1.        题目要求及相关指标分析

本题包含三个部分：移相信号发生器、移相网络和相位测量仪。其中，移相信号发生器产生的信号在20Hz~20kHz，0.3V~5V之间，相位差范围为 0～359°，分辨率为1°，如何扩大信号的电压范围与相位精度是其难点。移相网络输入信号频率为100Hz、1kHz、10kHz时，连续相移范围达－45°～＋45°。要达到题目要求，理论计算和参数选择都很关键。相位测量部分要能测量20~20kHz，0.3V_p-p~5V_p-p信号的相位差，且分辨率为0.1°，因此需要对小信号进行放大，这是硬件方面的难点，采用何种方案测量相位差，这是题目软件方面的难点。

2.        方案比较与选择

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2.1    移相信号发生器的设计与论证

方案一：采用单片函数发生器。单片函数发生器与外部分立元件配合输出正弦波，通过调整元件值可改变输出频率，但外接的电阻电容对信号影响很大，因而产生的波形稳定度差、精度低。

方案三：DFT法测相。基于离散傅里叶变换原理，采用两片A/D同时对信号采样，并将时域信号进行DFT或FFT变换，得到相应频点的复数值，进而求得幅度谱与相位谱，将两路信号对应频点的相位值相减，即得到相位差。该方法硬件电路简单，测量精度高，但FFT计算时产生的频谱泄漏会影响相位的准确度，因此需要用同步采样或准同步采样法减少泄露。

综上，方案一原理简单，但实现困难，方案二测量范围较大，精度较高，但是外部电路的性能对结果影响很大，且测量周期较长，方案三的采样时间只要几个周期，精度高达0.05°，很适合测量本题中范围的信号（中低频段的信号）。但还是采用方案二。

一、        系统总体设计方案及实现方框图

本系统由阻抗变换模块、移相网络、相位测量仪、移相信号发生器和最小系统及FPGA组成，如图3所示。输入信号首先经过阻抗变换电路，然后进入移相

图3        系统总体框图

网络变为两路具有相位差的信号，由相位测量仪结合FPGA内的测相模块测出信号相位差，而测频模块测出信号的频率，并在LCD上显示。本系统也可通过键盘输入移相信号发生器的频率，相位，幅度参数，由信号发生器产生两路具有相位差的信号，再通过相位测量仪，最后用FPGA计算出频率与相位差。