王一舉

2003年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題中的C題，要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)低頻數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x。按照題目的要求和說(shuō)明，低頻數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x實(shí)際需要設(shè)計(jì)和制作的是三個(gè)各自獨(dú)立的部分：(1)數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x；(2)數(shù)字式移相信號(hào)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(jì)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(jì)了許多不同的實(shí)現(xiàn)方案，根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作出很多成功的作品，選擇本題進(jìn)行設(shè)計(jì)制作的有53隊(duì)，占湖北賽區(qū)23%，其中參與測(cè)試的作品有49件，而能通電測(cè)試的作品有43件，占參與測(cè)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(duì)其它題目而言，從整體完成情況看是比較好的。本文主要對(duì)數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x和數(shù)字式移相信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路和電路情況進(jìn)行介紹，對(duì)采用的幾種方案進(jìn)行簡(jiǎn)潔的評(píng)析，由于只是參評(píng)過(guò)程中印象較深的部分內(nèi)容，沒(méi)有相關(guān)作品原稿，難免出錯(cuò)和疏漏，僅供參考。

1．?dāng)?shù)字式相位測(cè)量?jī)x部分

數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)思路最基本的有兩個(gè)。

第一種思路是通過(guò)過(guò)零比較得到被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)之間的過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差τ之后，利用相位差φ與信號(hào)周期之間的關(guān)系：φ=（τ/T）×360o，就可以得到信號(hào)之間的相位差了。這種思路非常直接明了，過(guò)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(cè)量τ的方式一般直接利用單片機(jī)的時(shí)鐘作為基準(zhǔn)。也有部分作品為了提高測(cè)量的精度，外加高頻震蕩信號(hào)作為測(cè)量的時(shí)鐘基準(zhǔn)。采用這種思路，能充分利用單片機(jī)的計(jì)算功能，但是，必須對(duì)信號(hào)的周期或頻率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。典型的電路框圖如圖1所示。

第二種思路是將被測(cè)信號(hào)按題目的精度要求(<0.01o),用被測(cè)信號(hào)的N(3600以上)倍頻進(jìn)行“刻度”(即把一個(gè)周期分為N等份)，整形后使每一個(gè)計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)1/N o，這樣把測(cè)量相差轉(zhuǎn)換為τ期間的計(jì)數(shù)數(shù)值?！翱潭取庇?jì)數(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(zhuān)用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后送單片機(jī)處理顯示；其二是把刻度計(jì)數(shù)等功能用CPLD實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)送單片機(jī)進(jìn)行處理顯示。這種思路的最大問(wèn)題是在被測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)，用于“刻度”的頻率太高，對(duì)器件的要求高，性?xún)r(jià)比會(huì)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(hào)發(fā)生器

數(shù)字式移相信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的方案有三類(lèi)。

其一是采用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，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(hào)，但是，要產(chǎn)生可以隨意調(diào)節(jié)相位差的兩路信號(hào)，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(hào)發(fā)生器的方案，湖北賽區(qū)有31例，占測(cè)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(jià)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(hào)發(fā)生器的典型的電路框圖如圖3所示。圖中虛線(xiàn)框內(nèi)的部分可以采用FPGA或CPLD實(shí)現(xiàn)。

3．筆者對(duì)題目的理解

本題的低頻測(cè)相部分關(guān)鍵是對(duì)低頻的充分理解，若采用第一種思路來(lái)測(cè)相，電路設(shè)計(jì)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(cè)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(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，不需要測(cè)量信號(hào)頻率或周期，電路的設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)潔，測(cè)量準(zhǔn)確度也非常高，但是，若被測(cè)信號(hào)的頻率過(guò)高時(shí)要求用于“刻度”信號(hào)的頻率非常高，對(duì)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(hào)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(hào)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(cè)試的結(jié)果也充分證明了這一點(diǎn)。

最后，主要針對(duì)創(chuàng)新問(wèn)題對(duì)參賽者談一點(diǎn)建議。一般參賽者把語(yǔ)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(jì)，當(dāng)然，盡量采用新的技術(shù)或模塊，不能說(shuō)不新，但是，不是創(chuàng)新，因?yàn)檫@些功能許多都不是設(shè)計(jì)者自己設(shè)計(jì)的，而是“拿來(lái)”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(cè)量精度的提高、頻率范圍的擴(kuò)大、不同波形信號(hào)相位差的測(cè)量、小信號(hào)的處理等方面進(jìn)行電路設(shè)計(jì)思路的創(chuàng)新。