【正文】 ................................................................ 10 電平移位及放大模塊設(shè)計(jì) .................................................................................. 11 第四章 頻率、周期測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ..................................................................... 12 頻率測(cè)量原理 ................................................................................................... 12 頻率測(cè)量模塊設(shè)計(jì) ............................................................................................ 13 比較電路設(shè)計(jì) ................................................................................................... 15 第五章 相位測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ............................................................................... 16 數(shù)字鑒相器 EPD設(shè)計(jì) ........................................................................................ 16 測(cè)相位差模塊設(shè)計(jì) ............................................................................................ 16 第六章 系統(tǒng)總電路圖設(shè)計(jì) ............................................................................................. 18 模擬電 路設(shè)計(jì) ................................................................................................... 18 FPGA總電路圖設(shè)計(jì) ........................................................................................... 18 第七章 軟件設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 21 兩相信號(hào)發(fā)生器模塊中頻率、相位預(yù)置軟件設(shè)計(jì) .............................................. 21 頻率、周期、相位測(cè)量軟件設(shè)計(jì) ....................................................................... 22 第八章 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析 .......................................................................................... 23 兩相信號(hào)發(fā)生器模塊測(cè)試及分析 ....................................................................... 23 頻率、周期測(cè)量模塊測(cè)試及分析 ....................................................................... 23 相位差測(cè)量模塊測(cè)試及分析 .............................................................................. 24 第九章 結(jié)論 .................................................................................................................. 25 第十章 致謝 .................................................................................................................. 26 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 27 附錄 ........................................................................................................................ 28 1 第一章 背景介紹 概述 在電子 技術(shù)中，測(cè)量一個(gè)信號(hào)的頻率、 周期及兩路同周期信號(hào)的相位差在工程上有著重要的意義，并且與許多電參量的測(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率、周期、相位的測(cè)量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要。其測(cè)量方法可分為模擬和數(shù)字方法兩種：傳統(tǒng)依靠模擬器件的方法 ,如二極管鑒相法、 脈沖計(jì)數(shù)法等 ,測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜、需專用器件、 硬件成本高、 而且精度不高。近年來 ,頻率周期測(cè)量開始向數(shù)字化方向發(fā)展 ,如 FPGA 技術(shù) ,新發(fā)展出來的 DSP 器件等等。其優(yōu)點(diǎn)在于硬件簡單、適應(yīng)性強(qiáng)而且精度明顯高于一般的模擬式測(cè)量。 課題選擇意義 本課題主要研究如何用 FPGA 來完成數(shù)字頻率計(jì)、相位差測(cè)量儀的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的頻率計(jì)通常采用組合電路和時(shí)序電路等大量的硬件電路構(gòu)成，產(chǎn)品不但體積較大，運(yùn)行速度慢，而且測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)不宜直接使用，因此頻率測(cè)量方法的優(yōu)化也越來越受到重視。測(cè)量頻率的方法有很多種 ,其中電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段之一。 相位測(cè)試儀在工業(yè)領(lǐng)域中是經(jīng)常用到的一般測(cè)量工具，比如在電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時(shí)，要求兩電網(wǎng)的電信號(hào)相同，這就要求精確的測(cè)量兩工頻 信號(hào)之間的相位差。還有測(cè)量兩列同頻信號(hào)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(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，很多測(cè)量儀逐漸向 “ 智能儀器 ” 和 “ 自動(dòng)測(cè)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。 但數(shù)字處理的實(shí)時(shí)性受到處理速度的限制，實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)電路的處理速度要求越來越高，在科技以日新月異的速度向前發(fā)展，簡潔、高效、經(jīng)濟(jì)成為人們辦事的一大宗旨。在電子技術(shù)中這一點(diǎn)表現(xiàn)的尤為突出，人們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，都趨向于用盡可能少的硬件來實(shí)現(xiàn) ,并且盡力把以前由硬件實(shí)現(xiàn)的功能部分 , 通過軟件來解決。因?yàn)檐浖?shí)現(xiàn)比 硬件實(shí)現(xiàn)具有易修改的優(yōu)點(diǎn)，如簡單地修改幾行源代碼就比在印制電路板上改變幾條連線要容易得多 , 故基于微處理器的電路往往比傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)具有更大的靈活性。 FPGA 就很好的滿足了這樣的要求，它具有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測(cè)試和實(shí)現(xiàn)快捷，開發(fā)效率高，成本低，技術(shù)維護(hù)簡單，工作可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，它使用的 VHDL硬件描述語言具有很強(qiáng)的電路描述和建模能力，能從多個(gè)層次對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模和描述，從而大大簡化了硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，提高了設(shè)計(jì)效率和可靠性。 2 國內(nèi)外研究狀況 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，頻率計(jì)和相位差測(cè)量的 設(shè)計(jì)方法也越來越多樣化，有用具有記憶功能的觸發(fā)器設(shè)計(jì)而成的頻率計(jì)，還有用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)而成的頻率計(jì)，還有用以單片機(jī)為核心器件設(shè)計(jì)而成的頻率計(jì)。說到用單片機(jī)設(shè)計(jì)的頻率計(jì)，這里說一下單片頻率計(jì)頻率計(jì) ICM7216D。單片頻率計(jì) ICM7216D 是美國 Intersil 公司首先研制的專用測(cè)頻大規(guī)模集成芯片。它是標(biāo)準(zhǔn)的 28引腳的雙列直插式集成電路，采用單一的 +5V 穩(wěn)壓電源工作。它內(nèi)含高頻振蕩器、 10 進(jìn)制計(jì)數(shù)器、 7段譯碼器、位多路復(fù)用器、能夠直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示器的 8段段碼驅(qū)動(dòng)器、 8位位碼驅(qū)動(dòng)器。其基本的測(cè)頻范圍為 DC 至 10MHz，若加預(yù)置的分頻電路，則上限頻率可達(dá) 40MHz 或 100MHz，單片頻率計(jì) ICM7216D 只要加上晶振、量程選擇、 LED 顯示器等少數(shù)器件即可構(gòu)成一個(gè) DC至 40MHz 的微型頻率計(jì)，可用于頻率測(cè)量、機(jī)械轉(zhuǎn)速測(cè)量等方面的應(yīng)用。還有， PTS2600 是英國研制的一款微波頻率計(jì)，該頻率計(jì)可以測(cè)量頻率高達(dá) 26GHz 的信號(hào)，而價(jià)格才只有幾萬元，可謂是物美價(jià)廉。 PTS2600 雖然是一個(gè)低價(jià)格的微波頻率計(jì)，但它能在四個(gè)波段有很好的靈敏度測(cè)量 40Hz 到 20GHz 的頻率。也可以用它來測(cè)量高達(dá) 26GHz 的頻率，只是靈敏度稍 稍低了一些。日常工作中，用它來測(cè)量 VF/VHF/UHF 頻段的頻率，也十分方便和準(zhǔn)確。 PTS2600 使用一個(gè) 12 位數(shù)字的 LCD 液晶顯示屏來顯示所測(cè)得的頻率、閘口時(shí)間（分辨率相關(guān)）、菜單功能以及頻率表的測(cè)量結(jié)果。所有這些數(shù)值都是同時(shí)顯示在一個(gè)屏幕上的。 PTS2600 的機(jī)箱采用高標(biāo)準(zhǔn)的鋁質(zhì)材料制成，各模塊安裝在下方有鋼板支承的母板上。模塊相對(duì)獨(dú)立，維修方便，主要通過更換模塊進(jìn)行。 我國利用相檢寬帶測(cè)頻技術(shù)設(shè)計(jì)的高精度頻率計(jì)也非常具有突破性和實(shí)用性。該項(xiàng)新技術(shù)及儀器是針對(duì)已有測(cè)頻技術(shù)的特點(diǎn)及存在問題，推出完全新穎 的檢測(cè)精度高、便于實(shí)施且設(shè)備構(gòu)成又比較經(jīng)濟(jì)的一種新技術(shù)及儀器。其測(cè)量精度高于一般儀器 1000 倍以上。而價(jià)格只相當(dāng)國外同檔儀器價(jià)格的 1/2 和 1/18。該成果特點(diǎn)：學(xué)術(shù)思想新穎，提出了兩頻率信號(hào)間的量化相移分辨率與最大公因子頻率值及兩比對(duì)信號(hào)頻率值之間的關(guān)系。應(yīng)用最大公因子頻率的概念，用相位檢測(cè)的方法進(jìn)行中、高頻寬頻率范圍的高精度測(cè)量，測(cè)量精度高而設(shè)備構(gòu)成簡單，它可以替代多種專用測(cè)量儀器并開發(fā)出多種用途不同的頻率及周期性信號(hào)的測(cè)量儀器。用寬帶相檢測(cè)頻技術(shù)與計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合所研制的 XDU17 型高分辨率計(jì)， 具有比對(duì)頻率范圍寬、測(cè)量精度高，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。與國內(nèi)外同類儀器相比，它在測(cè)量精度等方面均達(dá)到國外同類設(shè)備的先進(jìn)水平，而且性能價(jià)格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國外同類型儀器。該技術(shù)已獲國家發(fā)明專利。使用這項(xiàng)新技術(shù)，可很好地解決各種非標(biāo)準(zhǔn)頻率源的比對(duì)問題，可作為高精度頻率計(jì)，還可以取代各種用途單一的頻標(biāo)比對(duì)、校頻儀器。因此這項(xiàng)技術(shù)具有顯著的開發(fā)深度與廣度。獲陜西省第二屆技術(shù)成果交易洽談會(huì)金牌獎(jiǎng)；中國發(fā)明協(xié)會(huì)第六屆全國明發(fā)展覽會(huì)銀牌獎(jiǎng)。該項(xiàng)技術(shù)國內(nèi)需求量較大，故具有廣泛的市場(chǎng)前景，應(yīng)盡快投放市場(chǎng)。 3 第二章 測(cè)量原理及方法 頻率測(cè)量方法 根據(jù)頻率的定義，即單位時(shí)間內(nèi)周期信號(hào)的發(fā)生次數(shù)。使用單片機(jī)對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一般是采用頻率周期法，它是將被測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)脈沖形成電路后加到閘門的一個(gè)輸入端，只有在閘門開啟時(shí)，測(cè)量信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，閘門關(guān)閉時(shí)，停止計(jì)數(shù)，閘門開啟時(shí)間為 Tg，計(jì)數(shù)值為 N，則被測(cè)頻率 f=N/Tg。這種方法在低頻段的相對(duì)誤差較大，所以當(dāng)測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)，采用周期測(cè)量法，即對(duì)一個(gè)周期進(jìn)行計(jì)時(shí)，再將其取倒即可得到頻率。 本論文所研究采用的是一種基于 FPGA 的等精度頻率測(cè)試法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)頻率范圍大且方法簡單 ，不需要根據(jù)頻率的大小來改變測(cè)量方法?；舅枷胧峭ㄟ^單片機(jī)對(duì) FPGA 發(fā)出開始命令，并將門信號(hào)置為高電平， FPGA 中的兩個(gè)計(jì)數(shù)器在被測(cè)信號(hào)的上升沿到來時(shí)同時(shí)啟動(dòng)，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率方波信號(hào)（ fb）和被測(cè)頻率方波信號(hào) (fx)同時(shí)計(jì)數(shù)。自門控信號(hào)被置為高電平起，經(jīng)過 Tg 時(shí)間，控制電路將門控信號(hào)置為低電平。被測(cè)信號(hào)的下一個(gè)上升沿到來時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)停止計(jì)數(shù)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器的工作時(shí)間 Tw 恰好為被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍。設(shè) Tw時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為 N2，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值為 N1，則待測(cè)信號(hào)的頻率為： fx=N2/N1*f0。則可 得到待測(cè)信號(hào)的頻率了。 相位測(cè)量方法 測(cè)量同頻率兩信號(hào)間的相位差，在研究網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)頻率特性中具有重要 意義。常用的測(cè)量相位差的方法有直接測(cè)量法、 相位差 電壓轉(zhuǎn)換法、相位差 時(shí)間轉(zhuǎn)換法、 零示法等。 考慮到本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)以及外圍電路的難易度，我們選擇使用相位差 時(shí)間轉(zhuǎn)換法，它的基本原理為：先分別將待測(cè)信號(hào)和經(jīng)過相移網(wǎng)絡(luò)后的信號(hào)通過過零比較器整形成TTL 電平方波，然后經(jīng)異或鑒相，把相位測(cè)量變成時(shí)間間隔測(cè)量，然后用時(shí)間計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)用與門或 D觸發(fā)器可以判斷相位是超強(qiáng)還是滯后。 其原理框圖如圖 1所示 ： 圖 1 相位 時(shí)間轉(zhuǎn)換法原理框圖 4 通道 1 和 2 實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)過零比較器。超前信號(hào) U1 加到通道 1 產(chǎn)生一個(gè)脈沖，上手沿啟動(dòng)門控電路，形成開門信號(hào)，閘門開啟，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；之后信號(hào) U2 加到通道 2產(chǎn)生一個(gè)脈沖使門控翻轉(zhuǎn)，關(guān)閉主閘