1
基于锁相技术的高精度程控相移信号发生器 研制一款基于AT89C52单片机、双口RAM和数字锁相技术的高精度程控相移信号发生器。
相移信号在电子、通信、科学研究或在工厂电子产品的品质分析检验中有着广泛的应用；两个同频相移信号是电子行业机电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段，相移信号发生器是电子电信科学工作者和实验室的一个重要设备。 目前市场上主要有模拟相移信号发生器和基于微处理器的数字式移相信号发生器两类。模拟移相信号发生器有许多不足之处，如输出波形受输入波形的影响，难以实现移相控制，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移，频率、幅度的调节，均依赖电位器实现，因此精度难以保证，也很难达到满意的效果。
基于微处理器的数字式移相信号发生器，精度较高，移相控制方便，在低中频频段，该类相移信号发生器无论在性能上，操作上都优于前者，因此受到了越来越多的推广和应用。
本研究拟采用AT89C52单片机、双口RAM、数字锁相技术和直接频率合成技术（DDFS），实现频率为20Hz～20kHz，分辨率为1度，频率和幅度的调节均可程控的高精度相移信号发生器。
主要技术指标：
1．可以产生正弦波、方波、以及三角波三种波形。 2. 输出频率可以实现从20HZ～20KHZ变化。 3. 信号频率数控调节，最小频率步进为1HZ。 4. 相移范围0——359度，最小相移步进为1度。 5. 用LED数码管实时显示波形的相关参数。
系统组成框图：
2
第一章 概 述
1.1 移相信号发生器简介
移相技术广泛应用于工厂电子产品的品质分析检验、相位测量、相位表的检定、同步检测器的数据处理以及实验室和一些重要的科研机构。在交流功率、交流电能的测量及测量线路的研究中，移相器是交流试验装置中不可缺的重要组成部分，诸如电能表校验台、交流电工仪表校验台、电量变送器校验台、继电器校验台等。在对电能表进行不同功率因数下的误差试验时，需用移相器改变电路里电压和电流回路之间的相角；在对电力系统中用于方向电流保护的功率方向继电器和用于距离保护的方向阻抗继电器等进行试验和调整时，也要用到移相器以提供相位可变化的电气量。两个同频信号之间的移相是电力行业继电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段。因此，移相技术有着广泛的实用价值。
移相发生器的研究相对于其它仪器来说，起步比较晚，而基于微处理器的数字式移相信号发生器研究，更是近几年的事。
目前市场上主要有模拟移相信号发生器和基于微处理器的数字式移相信号发生器两类。模拟移相信号发生器(如阻容移相、变压器移相、感应式移相) 在移相的高频领域，具有很多的应用，如铁氧体微波移相器、模拟压控移相器等。
变压器式移相器利用三相制电源中三相电压相位互差120°的原理，通过变压器将电源电压分组组合为圆内接正多边形，可分段连续取得0°～360°范围内的任一相位。圆内接正多边形包括正六边形、正十二边形和正二十四边形等。它获得特殊角度的相位比变换接线的跨相式移相法更为简便。以裂相正十二边形、移相细调30°电气角宽为例，其移相时输出电压幅值的最大波动量约达3 5%，为了抑制它可采用增多裂相相数如裂相24相、裂相48相的方法，但移相变压器的绕制将更加不便。若采用在移相变压器外另加附件的方法，则有压降法(又称余弦补偿法)和电压抵消法两种形式。前者的补偿效果受使用容量变化影响，且将阻抗分成近似余弦变化，印制板不易制做，阻抗分段的接点因间距很小，工作可靠性较差；后者须在移相变压器上加绕一组带抽头的丫绕组，这无疑将增加其绕制难度。显然，两者对改进已在使用的无补偿变压器式移相器的电压波动都不适用。
阻容移相是用模拟电路通过ＲＣ移相器来实现，压控振荡器用以产生信号所需频率，通过ＲＣ移相器实现对通道Ⅰ和Ⅱ的相位调节，幅值调节电路改变两通道的幅值。因压控振荡器的振荡频率易漂移，简单的ＲＣ移相电路无法做到0～360°范围内的调节，且调节范围和调节细度不易量化，故仅适于正弦信号，多数情况下不采用。
感应式移相的优点是能在0°～360°范围内连续移相且不断电，但其缺点明显：因有振动，相位不够稳定；噪声大，对环境造成污染；其波形失真大，不能调整三相对称，且电压调整率也大；移相时电压波动大；体积大、笨重，使移动不便。
模拟移相信号发生器有许多不足之处，如输出波形受输入波形的影响，移相角的调节操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等。
近年来,数字移相信号源在产生标准、稳定的相位及相位测量等方面的应用日趋广泛。数字式可调移相器采用微处理器控制移相电路，移相角度取决于微处理器的移相控制信号。微处理器根据测量输出调整移相控制信号,从而实现相移量自动调整。基于微处理器的数字式移相信号发生器，有的偏重于硬件，也有的偏重于软件，偏重硬件的精度较高，但制造及调试较复杂；偏重软件的结构简单，成本较低，但往往精度受影响。目前，移相电路大多采用硬件逻辑，通过它控制两组地址计数器的计数起点，使合成波形的过零点不同,以此达到移相的目的。当对移相细度要求较高时，采用这种方法有电路复杂、使用计数器和其它器件
第一章 绪论 3
多、耗电功率大、噪声大、造价高、可靠性差等缺点。
为了进一步提高移相信号源的性能指标，简化硬件电路，黑龙江省计量科学研究所的同[2]
志提出了应用锁相技术、微程序设计技术及数/模转换技术等,设计一种逻辑存储移相信号源。该数字移相信号源具有使用元件少、集成度高、性能好、结构简单和便于程控等优点。
近年来，直接频率合成技术（DDS技术）也逐渐的应用于移相信号发生器，使移相信号发生器性能进一步提高。
1.2 频率合成技术
频率合成技术在本世纪30年代开始提出[5]，它的发展已经有70年的历史。在这70年的历史中，大致可以分成三个发展阶段：直接式频率合成技术，锁相环频率合成技术以及直接数字频率合成技术。
所谓直接式频率合成技术[7][8][9]，就是用倍频、分频和混频电路对一个或几个基准频率进行加、减、乘、除的运算，从而产生所需要的频率信号，并通过窄带滤波器选出。直接频率合成器的频率范围宽，频率转换较快，可以达到微秒级，频率间隔较小（10-2HZ），工作稳定可靠；但寄生输出大，需要大量的模拟元件，结构复杂，体积大，成本高。
锁相环（Phase-Locked Loops）频率合成技术改善了直接频率合成技术中的缺点。锁相环频率合成技术（PLL）是在40年代初根据控制理论的线性伺服环路发展起来的。它主要是将含有噪声的振荡器放在锁相环路内，使它的相位锁定在希望的信号上，从而使振荡器本身的噪声被抑制，使它的输出频谱大大提纯。
锁相环频率合成技术的原理框图如图1—1所示。其主要由四部分构成，晶体参考频率源提供基准频率fs，压控振荡器的输出频率fo经分频器分频后，送入鉴相器，与基准频率进行相位比较，从而产生误差信号，并以此误差信号来调整压控振荡器的输出。其中环路滤波起着平滑鉴相器输出电压的作用，它能滤掉高频部分和噪声，从而增加系统的稳定性。
fs鉴相器(PD)环路滤波器(LF)分频器(AN)压控振荡器(VCO)fo
图1—1 锁相环频率合成技术原理框图
锁相环频率合成技术提供了一种从单个参考频率获得大量稳定而准确的输出频率的方法，并且频率输出范围宽，电路结构简单，成本低。但由于它是采取闭环控制的，系统的输出频率改变后，重新达到稳定的时间也就比较长，因此，响应慢就是它的固有缺点[9]。
1.3 DDS合成技术
直接数字频率合成技术（DDS）的理论早在七十年代就被提出[7]，它的基本原理就是利用采样定理，通过查表法产生波形，由于硬件技术的限制，DDS技术当时没能得到广泛应用。但是随着大规模集成电路技术的飞速发展，DDS技术的优越性已逐步显现出来。不少学者认为，DDS是产生信号和频率的一种理想方法，发展前景十分广阔。
与其它频率合成方法相比较，直接数字频率合成技术的主要优点是易于程控，相位连续，输出频率稳定度高，分辨率高。其分辨率可以达到10-3HZ[7]，而且频率转换速度快，特别适宜用在跳频无线通信系统。其相位噪声主要决定于参考时钟振荡器。
4
第二章 总体方案论证与设计
本系统采用单片机作为数据处理及控制核心，将设计任务分解为信号输出采集存储、信号融合处理、显示/键盘等功能模块。考虑到硬件电路的紧凑性，故将上述模块合理分配连接成以下两个模块：系统移相信号模块、键盘/显示模块。下面对各模块的设计进行逐一论证比较。
2.1 系统移相信号模块
数字式相移信号发生器的实现方案很多，主要有如下几种： 方案一：采用微处理器和数模转换器直接合成的数字式移相信号发生器。这种信号发生器具有价格低，在低频范围内可靠性好，体积小，功耗低，使用方便等特点，它输出的频率是由微处理器向数模转换输出数据的频率和信号在一个周期内的采样点数（N）来决定的，因此受单片机的时钟频率的限制很大，如果单片机的晶振取12MHz，则单片机的工作频率为1MHz,此时要求输出移相分辨率为1度的相移信号，即在一个周期内输出360个数据，则输出信号的频率理论上最高只能达到2777Hz。实际上单片机完成一次数据访问并输出到D/A电路，至少要5个机器周期，因此实际输出信号的频率只有500Hz左右。即使增大晶振频率，减小一个周期内输出数据个数，在稍高的频率下输出的波形频率误差也是很大的，而且计算烦琐，软件编程麻烦，控制不方便。
方案二：利用DSP处理器，根据幅值，频率和相位参数，计算产生高精度的信号所需数据表，经数模转换后输出，形成需要的信号波形。这种信号发生器可实现程控调幅，调频和调相。但这种信号发生器输出频率不能连续可调，计算烦琐，控制也不便。
方案三：利用单片机与精密函数发生器构成的程控信号发生器。这种信号发生器能够克服常规信号发生器的缺陷，保证在某个信号的频带内正弦波的失真度小于0.5％。它的输出信号频率调整和幅值调整都由单片机完成。但是，由于数模转换器的非线性误差和函数发生器本身的非线性误差，这种信号发生器输出信号的频率与理论值会有一定的偏差。
方案四：基于单片机，锁相环，可编程分频、相位累加、存储器波形存储以及D/A转换器等组成的数字式相移信号发生器。输出的频率的大小由锁相环和可编程计数器来控制，最终由地址发生器对存储器中的波形数据硬件扫描，单片机提供要输出的波形数据给存储器。这种方案电路简洁，不受单片机的时钟频率的限制，输出信号精度高，稳定性好，可靠性高，功耗低，调频，调相和调幅都很方便，而且可简化软件设计，实现模块化设计的要求。
综合考虑，方案四各项性能和指标都优于其他两种方案，这种方案是现今移相信号发生器研制中比较新颖且较实用的一种，充分体现了模块化设计的要求，而且这些芯片及器件均为通用器件，在市场上较常见，价格也低廉，样品制作成功的可能性比较大，所以本设计采用方案四。
2.2 键盘/显示模块
键盘输入和显示部分在控制仪器中起着人机交互的作用，这两部分的设计是仪器和操作者进行联系并得到实际应用的关键之一，并关系到用户使用的满意度。键盘/显示模块设计采用的方法有:
方案一：采用8279可编程接口芯片来实现系统的键盘/显示器扩展功能，提高了系统的稳定性及可靠性。键盘控制部分提供一种扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘或传感器连接，能对键盘进行自动扫描、自动消抖、自动识别出所按下的键并给出编码，能同时按下双键或N键实行保护，其接收键盘上的输入信息存入内部的先进先出FIFO键输入缓冲器，并可在有键输入时向CPU请求中断。8279提供了按扫描方式工作的显示接口，其内部有一
第二章 总体方案论证与设计 5
个显示缓冲器，能对8位或16位LED自动进行扫描，将显示缓冲器的内容通过74LS138译码，并由74LS07驱动，在LED上显示出来。结构图如图2-1所示。
键盘74LS37389C51译码器827974LS0774LS138八位七段LED 图2-1 8279键盘/显示模块
方案二：如图2-2所示，由单片机AT89C2051控制8个共阳数码管、16个按键构成动态显示模块。由于AT89C2051有一个全双工串行通信接口，通过串行通信易于与某些基于虚拟仪表技术的仪器主板相连，使其脱机工作，成为便携仪表，方便了使用；与专用键显接口芯片8279相比，价格更加底；采用串行方式与主控单片机交换信息，硬件及工艺设计简单，抗干扰能力强；可承担键盘/显示及其他信息处理功能，从而使主机软件设计所考虑的因素减少，程序结构得以简化。
74LS13889C2051键盘LED显示PNP三极管9012 图2-2 键盘/显示模块
方案三：LCD液晶显示。例如采用OCM12864液晶显示模块可以显示各种字符及图形，可与CPU系统直接接口，具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线，接口电路简单，控制方便。
方案四：采用专用键盘/显示芯片HD7279。HD7279芯片价格低廉，内部含有译码器，并具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。在设计时，外围电路简单，只需一个电阻和一个电容即可解决键盘/显示电路的外围设计，如图2-3所示。
显 示HD7279键 盘 图2-3 HD7279键盘/显示模块