高精度相位计及其GPIB接口的研究与设计

摘要

本课题是以与天津市中环电子仪器有限公司合作的横向课题“高精度宽带相位计的研制”为背景。相位差测量技术发展至今已经深入到众多领域，尤其是在电子技术、电力系统、工业自动化，智能控制、航空电子等领域有着广泛的应用。目前国内专用于相位差测量的相位计比较少见，而且普遍存在对被测信号幅度和频率要求过高、反应时间慢、显示精度较低等问题，本文正是基于以上几点问题，设计出了一款高性能的高精度相位计。本文的主要工作分为以下四个方面:
　　1、相位测量方法的研究。本文首先对国内外的相位测量技术进行了深入分析，详细介绍和分析了示波器观察法、数字化测量相位差及过零鉴相法三种典型的相位测量方法，并最终选择过零鉴相法作为相位计设计的理论基础。
　　2、自动换程电路的设计。自动换程电路主要包括衰减网络、放大电路、电平幅值检测电路和逻辑控制电路四个模块，该电路采用循环计数法的原理，通过控制继电器的开关闭合状态实现对输入信号不同程度的放大和衰减，有效地保护了整个相位计系统。
　　3、过零鉴相法的硬件实现。根据相位计系统的工作流程，整个系统电路分为整形电路、鉴相电路、方波转电压电路、A/D电路、测频电路以及显示电路等几个部分。整形电路的作用是将输入的正弦信号整形为方波信号，鉴相电路和方波转电压电路将两路被测信号之间的相位差转换成直流电压，此电压值与相位差成一定的比例关系。测频电路同步直观地显示了当前输入被测信号的频率。
　　4、GPIB接口的设计。为相位计配置可程控的GPIB接口，满足了高精度相位计的智能化需求。本文首先对GPIB总线和IEEE488协议作了简要阐述，着重介绍了GPIB总线数据传输机制和十大接口功能。通过微控制器STC89S52对GPIB专用芯片NAT9914内部寄存器的访问，实现了高精度相位计的听、讲和串行查询等接口功能，满足了相位计与程控计算机之间的通信需求。
　　实验结果表明，本文设计的高精度相位计输入信号幅度可达320V，带宽为5MHz，相位分辨率为0.1°，低频段相位测量精度能够达到0.1°，GPIB接口具有良好的稳定性和数据传输能力。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 相位测量技术国内外研究现状

1．3 本文的研究内容

第二章 相位测量技术及GPIB接口基本原理

2．1 相位的基本概念

2．2 相位测量的基本原理和方法

2．2．1 示波器观察法

2．2．2 数字化测量相位差

2．2．3 过零鉴相法

2．3 GPIB接口通信原理概述

2．3．1 GPIB总线概述

2．3．2 三线互锁传输机制

2．3．3 GPIB地址协议

2．3．4 GPIB接口功能

2．4 本章小结

第三章 高精度相位计硬件电路设计

3．1 信号调理电路

3．1．1 衰减网络的设计

3．1．2 放大电路

3．1．3 电平幅值检测电路

3．1．4 逻辑控制电路

3．2 整形电路

3．3 鉴相电路

3．4 方波转电压电路

3．5 A／D电路

3．5．1 ICL7135介绍

3．5．2 A／D转换电路的设计

3．5．3 串行访问A／D的软件设计

3．6 测频模块

3．6．4 ICM7216介绍

3．6．5 测频电路的设计

3．7 电源设计

3．8 相位计调试结果

3．9 本章小结

第四章 GPIB接口设计

4．1 GPIB接口实现方案选择

4．1．1 FPGA或CPLD实现GPIB接口功能

4．1．2 GPIB接口专用芯片实现接口功能

4．2 NAT9914工作原理

4．3 GPIB接口硬件电路设计

4．4 GPIB接口软件设计

4．4．1 NAT9914芯片初始化

4．4．2 GPIB接口功能的实现

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢