《低頻數(shù)字式相位測量儀》評析

王一舉

2003年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽試題中的C題，要求設(shè)計并制作一個低頻數(shù)字式相位測量儀。按照題目的要求和說明，低頻數(shù)字式相位測量儀實(shí)際需要設(shè)計和制作的是三個各自獨(dú)立的部分：(1)數(shù)字式相位測量儀；(2)數(shù)字式移相信號發(fā)生器；(3)移相網(wǎng)絡(luò)。其中移相網(wǎng)絡(luò)基本采用了題目推薦的電路，只是根據(jù)要求設(shè)計了與相移相關(guān)的關(guān)鍵的電阻電容的參數(shù)這里不做詳細(xì)的分析。

就湖北賽區(qū)而言，參賽學(xué)生設(shè)計了許多不同的實(shí)現(xiàn)方案，根據(jù)設(shè)計方案制作出很多成功的作品，選擇本題進(jìn)行設(shè)計制作的有53隊(duì)，占湖北賽區(qū)23%，其中參與測試的作品有49件，而能通電測試的作品有43件，占參與測試的88%。而基本功能和擴(kuò)展部分完成比較好的作品有20件，占本題參賽作品的28%，相對其它題目而言，從整體完成情況看是比較好的。本文主要對數(shù)字式相位測量儀和數(shù)字式移相信號發(fā)生器的設(shè)計思路和電路情況進(jìn)行介紹，對采用的幾種方案進(jìn)行簡潔的評析，由于只是參評過程中印象較深的部分內(nèi)容，沒有相關(guān)作品原稿，難免出錯和疏漏，僅供參考。

1．?dāng)?shù)字式相位測量儀部分

數(shù)字式相位測量儀設(shè)計思路最基本的有兩個。

第一種思路是通過過零比較得到被測信號和參考信號之間的過零點(diǎn)的時間差τ之后，利用相位差φ與信號周期之間的關(guān)系：φ=（τ/T）×360o，就可以得到信號之間的相位差了。這種思路非常直接明了，過零比較一般采用集成運(yùn)放如LM311構(gòu)成同相放大器完成，也有把進(jìn)入單片機(jī)前的電路功能統(tǒng)一用CPLD實(shí)現(xiàn)的作品。而測量τ的方式一般直接利用單片機(jī)的時鐘作為基準(zhǔn)。也有部分作品為了提高測量的精度，外加高頻震蕩信號作為測量的時鐘基準(zhǔn)。采用這種思路，能充分利用單片機(jī)的計算功能，但是，必須對信號的周期或頻率進(jìn)行準(zhǔn)確測量。典型的電路框圖如圖1所示。

第二種思路是將被測信號按題目的精度要求(<0.01o),用被測信號的N(3600以上)倍頻進(jìn)行“刻度”(即把一個周期分為N等份)，整形后使每一個計數(shù)值對應(yīng)1/N o，這樣把測量相差轉(zhuǎn)換為τ期間的計數(shù)數(shù)值?！翱潭取庇嫈?shù)的方式主要有二：其一是利用鎖相環(huán)倍頻進(jìn)行刻度，用8254等專用計數(shù)器計數(shù)后送單片機(jī)處理顯示；其二是把刻度計數(shù)等功能用CPLD實(shí)現(xiàn)，計數(shù)送單片機(jī)進(jìn)行處理顯示。這種思路的最大問題是在被測信號頻率較高時，用于“刻度”的頻率太高，對器件的要求高，性價比會大大下降。典型的電路框圖如圖2所示。

2．?dāng)?shù)字式移相信號發(fā)生器

數(shù)字式移相信號發(fā)生器設(shè)計的方案有三類。

其一是采用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生信號，湖北賽區(qū)有4例。采用這種思路，可以很快得到高精度頻率可調(diào)和幅度可調(diào)的信號，但是，要產(chǎn)生可以隨意調(diào)節(jié)相位差的兩路信號，就比較難以實(shí)現(xiàn)了，故此這種方案不可取。

其二是采用DSP技術(shù)，湖北賽區(qū)有1例。采用此種思路，其實(shí)也是直接數(shù)字波形合成（DDFS）技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)方式，應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)題目的要求，此方案是可取的。

其三是采用DDFS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相信號發(fā)生器的方案，湖北賽區(qū)有31例，占測試作品的63%，真正實(shí)現(xiàn)的有16件作品，成功方案的實(shí)現(xiàn)方式一般都是采用單片機(jī)加FPGA或CPLD或E2PROM，從性能價格比上講，采用E2PROM更可取，但是，采用FPGA或CPLD更能體現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)性。采用DDFS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相信號發(fā)生器的典型的電路框圖如圖3所示。圖中虛線框內(nèi)的部分可以采用FPGA或CPLD實(shí)現(xiàn)。

3．筆者對題目的理解

本題的低頻測相部分關(guān)鍵是對低頻的充分理解，若采用第一種思路來測相，電路設(shè)計方面比第二種思路復(fù)雜，要保證精度必須保證τ和T的測量都要正確；第二種思路把相位差轉(zhuǎn)化成了單一的脈沖個數(shù)的計數(shù)，不需要測量信號頻率或周期，電路的設(shè)計也簡潔，測量準(zhǔn)確度也非常高，但是，若被測信號的頻率過高時要求用于“刻度”信號的頻率非常高，對器件的要求也很高。所以，在充分理解“低頻”的前提下，應(yīng)該采用第二種方案，因?yàn)榭梢源蟠蟮靥岣邷?zhǔn)確度。

而移相信號發(fā)生器的難點(diǎn)關(guān)鍵在移相，要做到隨意移相，采用函數(shù)發(fā)生器或任何已有的信號產(chǎn)生器件都是難以實(shí)現(xiàn)的，采用DDFS幾乎是一種必然。測試的結(jié)果也充分證明了這一點(diǎn)。

最后，主要針對創(chuàng)新問題對參賽者談一點(diǎn)建議。一般參賽者把語音讀數(shù)或提示，遙控輸入或設(shè)置等作為自己的創(chuàng)新設(shè)計，當(dāng)然，盡量采用新的技術(shù)或模塊，不能說不新，但是，不是創(chuàng)新，因?yàn)檫@些功能許多都不是設(shè)計者自己設(shè)計的，而是“拿來”的功能，創(chuàng)新應(yīng)該是在作品的主要技術(shù)參數(shù)方面的突破。以本題為例，應(yīng)該是在相位測量精度的提高、頻率范圍的擴(kuò)大、不同波形信號相位差的測量、小信號的處理等方面進(jìn)行電路設(shè)計思路的創(chuàng)新。