基于DSP的低頻數(shù)字式相位測量儀的設(shè)計

摘要： 本文提出了一種基于TMS320VC5402的低頻數(shù)字式相位測量儀的設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞： DSP；低頻；數(shù)字式；相位測量；SCM

引言

    隨著科學技術(shù)的突飛猛進的發(fā)展，電子技術(shù)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、航空航天、國防建設(shè)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)中進行信息檢測的重要手段，在現(xiàn)代科學技術(shù)中占有舉足輕重的作用和地位。低頻數(shù)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(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時，要求兩電網(wǎng)的電信號相同，這就要求精確的測量兩工頻信號之間的相位差。還有測量兩列同頻信號的相位差在研究網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的頻率特性中具有重要意義。近年來，隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，很多測量儀逐漸向“智能儀器”和“自動測試系統(tǒng)”發(fā)展，這使得儀器的使用比較簡單，功能越來越多。本低頻數(shù)字式相位測量儀由TMS320VC5402、AT89S52和小規(guī)模集成電路構(gòu)成。由于TMS320VC5402和AT89S52芯片的集成度高、 智能程度高、功能強大，使得它實現(xiàn)起來比較簡單，而且，具有體積小、性價比高、性能穩(wěn)定的特點。
    
系統(tǒng)硬件

    此低頻數(shù)字式相位測量儀的目的是將輸入的信號先進行信號整形，然后送給移相網(wǎng)絡(luò)，再送給TMS320VC5402處理，最后將結(jié)果送給AT89S52，并由AT89S52控制LCD顯示測量結(jié)果。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1  低頻數(shù)字式相位測量儀系統(tǒng)框圖

    該系統(tǒng)以TMS320VC5402為核心，對待測量信號進行采集和處理，包括整形和移相電路，把采集來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其中SRAM和Flash分別為TMS320VC5402的 數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。鍵盤和顯示部分則由AT89S52來控制，AT89S52把鍵盤操作轉(zhuǎn)換為控制信號再傳送給TMS320VC5402，控制系統(tǒng)是進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(tǒng)狀態(tài)送給AT89S52，以實現(xiàn)LCD顯示。這些硬件工作過程如圖2所示。

圖2  硬件系統(tǒng)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LM324比較器整形，產(chǎn)生兩路方波信號。經(jīng)4013D觸發(fā)器進行二分頻(用于判斷相位差為180o時能正常產(chǎn)生鑒相脈沖)，送到4076異或門進行鑒相，鑒相脈沖送單片機實現(xiàn)相位差測量。整形電路如圖3所示。

移相電路

    移相電路通過一個超前移相和一個滯后移相網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，通過兩個電壓跟隨器后產(chǎn)生移相信號。通過改變移相電路(圖4)所示電壓跟隨器輸出的電位器，可實現(xiàn)相位差連續(xù)相移范圍-45o~ +45o。因此，當輸入信號頻率變化時，通過改變電位器RW可實現(xiàn)-45o~+45o連續(xù)移相。

TMS320VC5402與AT89S52的通信

    AT89S52和TMS320VC5402各自獨立工作，其信息和數(shù)據(jù)交換通過共享一片外部存儲器來實現(xiàn)，它們之間信號聯(lián)絡(luò)通過硬連接和軟件判斷來實現(xiàn)。

    外部存儲器采用的是CY7C133，它是高速的2K×16bit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、數(shù)據(jù)線和控制信號線，允許兩個控制器件中的數(shù)據(jù)通過共同連接的存儲器來進行通信。該雙端口RAM允許兩個控制器同時讀取任何存儲單元(包括同時讀同一單元)，但不允許同時寫或者一讀一寫統(tǒng)一地址單元。

    對于TMS320VC5402，數(shù)據(jù)存儲器CY7C133的對應(yīng)地址為4000H~47FFH。

    對于AT89S52，數(shù)據(jù)存儲器CY7C133的對應(yīng)地址為2000H~27FFH。

    TMS320VC5402與AT89S52的硬件接口電路如圖5所示。

系統(tǒng)軟件

    本系統(tǒng)中主要應(yīng)用TMS320VC5402實現(xiàn)測量脈寬、周期、相位、占空比和頻率并將測量結(jié)果送給AT89S52控制LCD顯示。單片機控制系統(tǒng)采用6個按鍵，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(tǒng)自動復位，然后根據(jù)要求選擇所需按鍵進行測量。總程序流程圖如圖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，相角差q=w1-w2是一個與時間無關(guān)的常數(shù)，將此兩路正弦波信號經(jīng)過放大整形成兩路占空比為50%的正方波信號f1、f2，經(jīng)過異或門輸出一個脈沖序列A，與晶振產(chǎn)生的基準脈沖波B進行與操作得到調(diào)制后的波形C，在一定的時間范圍內(nèi)對B、C中脈沖的個數(shù)進行計數(shù)得Nc、Nb，則其相位差為。

周期、頻率、脈寬和占空比測量

    從某個上升沿開始計時，到下一個到來時結(jié)束計時，即為一個周期；對周期取倒數(shù)即為頻率；從某個上升沿開始計時，到緊接著的一個下降沿結(jié)束計時(高電平的持續(xù)時間)即為脈寬；脈寬與周期之比即為占空比。

結(jié)語

    實驗證明，本系統(tǒng)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(wěn)定和性價比高的特點。
　　
參考文獻：
1.  TMS320VC5402 and TMS320UC5402 Bootloader Datasheet. 2000
2.  TMS320VC5402 Fixed-Point Digital Signal Processor Datasheet. 2000
3.  穆蘭, 單片微型計算機原理及接口技術(shù), 機械工業(yè)出版社，2000
4.  朱茂鎰, 低頻數(shù)字式相位測試儀, 電子世界．2004.3