基于DSP的低頻數字式相位測量儀的設計

摘要：本文提出了一種基于TMS320VC5402的低頻數字式相位測量儀的設計方法。
關鍵詞：DSP；低頻；數字式；相位測量；SCM

引言

隨著科學技術的突飛猛進的發展，電子技術廣泛的應用于工業、農業、交通運輸、航空航天、國防建設等國民經濟的諸多領域中，而電子測量技術又是電子技術中進行信息檢測的重要手段，在現代科學技術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領域中是經常用到的一般測量工具，比如在電力系統中電網并網合閘時，要求兩電網的電信號相同，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絡、系統的頻率特性中具有重要意義。近年來，隨著科學技術的迅速發展，很多測量儀逐漸向“智能儀器”和“自動測試系統”發展，這使得儀器的使用比較簡單，功能越來越多。本低頻數字式相位測量儀由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，使得它實現起來比較簡單，而且，具有體積小、性價比高、性能穩定的特點。

系統硬件

此低頻數字式相位測量儀的目的是將輸入的信號先進行信號整形，然后送給移相網絡，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儀系統框圖

該系統以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換為數字信號。其中SRAM和Flash分別為TMS320VC5402的 數據存儲器和程序存儲器。鍵盤和顯示部分則由AT89S52來控制，AT89S52把鍵盤操作轉換為控制信號再傳送給TMS320VC5402，控制系統是進行相位測量還是周期、頻率、脈寬、占空比測量，TMS320VC5402把要顯示的系統狀態送給AT89S52，以實現LCD顯示。這些硬件工作過程如圖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過LM324比較器整形，產生兩路方波信號。經4013D觸發器進行二分頻(用于判斷相位差為180o時能正常產生鑒相脈沖)，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絡構成，通過兩個電壓跟隨器后產生移相信號。通過改變移相電路(圖4)所示電壓跟隨器輸出的電位器，可實現相位差連續相移范圍-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-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共享一片外部存儲器來實現，它們之間信號聯絡通過硬連接和軟件判斷來實現。

外部存儲器采用的是CY7C133，它是高速的2K16bit的靜態異步雙端口RAM，其存儲速度為25ns。它有兩套獨立的地址線、數據線和控制信號線，允許兩個控制器件中的數據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一地址單元。

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

對于AT89S52，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復位，然后根據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是一個與時間無關的常數，將此兩路正弦波信號經過放大整形成兩路占空比為50%的正方波信號f1、f2，經過異或門輸出一個脈沖序列A，與晶振產生的基準脈沖波B進行與操作得到調制后的波形C，在一定的時間范圍內對B、C中脈沖的個數進行計數得Nc、Nb，則其相位差為。

周期、頻率、脈寬和占空比測量

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

結語

實驗證明，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, 機械工業出版社，2000
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