【正文】 36 低頻數(shù)字式相位測量儀（ C 題） 設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告示例 （以下是一個(gè)實(shí)際的 低頻數(shù)字式相位測量儀（ C 題） 設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告） 低頻數(shù)字式相位測量儀（ C 題） 摘 要： 設(shè)計(jì)了一個(gè)基于現(xiàn)場可編程門陣列（ FPGA）的低頻數(shù)字式相位測量儀。該測量儀包括數(shù)字式移相信號發(fā)生器和相位測量儀兩部分，分別完成移相信號的發(fā)生及其頻率、相位差的預(yù)置及數(shù)字顯示、信號的移相以及移相后信號相位差和頻率的測量與顯示等功能。其中數(shù)字式移相信號發(fā)生器可以產(chǎn)生預(yù)置頻率的正弦信號，也可產(chǎn)生預(yù)置相位差的兩路同頻正弦信號，并能顯示預(yù)置頻率或相位差值 ；相位測量儀能對移相信號的頻率、相位差的測量和顯示。兩個(gè)部分均采用基于 FPGA的數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使得該系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng) , 可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場可編程門陣列（ FPGA），數(shù)字式移相信號發(fā)生器，相位測量儀 Abstrct： The paper deals with designing of a low frequency phase measurement system based on FPGA technology. This phase measurement system includes two modulesa signal generator and a phase measurement subsystem. Its signal generator module can generate a sin wave with preconcerted frequency and two waves with preconcerted phase difference. It can continuously change signal phases through phase shifting. And its phase measurement subsystem has functions of measuring signal phase and phase difference of two signals. All of its three modules adopt digital technology base on FPGA. This system is characteristic of its strong antijamming performance and fine stability. Key words： FPGA， Digital phase signal generator， Phase measurement system （注意：以上內(nèi)容在實(shí)際論文中為一頁） 目 錄 1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………………………… x 37 設(shè)計(jì)要求 ????????????????????????????????? x 設(shè)計(jì)任務(wù) ???????????????????????????????? x 技術(shù)要求 ??? ????????????????????????????? x 方案比較 ????????????????????????????????? x 相位測量方案 ?????????????????????????????? x 移相網(wǎng)絡(luò)方案 ?????????????????????????????? x ?????????????????????????? x 頻率測量方案 ?????????????????????????????? x 幅 度控制方案 ?????????????????????????????? x 濾波選擇方案 ?????????????????????????????? x ?????????????????????????????? x 方案論證 ????????????????????????????????? x 總體思路 ???????????????????????????????? x 設(shè)計(jì)方案 ???????????????????????????????? x 2. 單元電路設(shè)計(jì) ??????????????????????????????? x 低頻率數(shù)字式相位測量儀 ?????????????????????????? x 相位測量原理 ?????????????????????????????? x 原理方框圖 ??????????????????????????????? x 原理圖的設(shè)計(jì)與制作 ??????????????????????????? x ??????????????????????????? x 數(shù)字移相原理 ?????????????????????????????? x ???????????????????????????? x 3. 軟件設(shè)計(jì) ????????????????????????????????? x 開發(fā)軟件及編程語言簡介 ?????????????????????????? x 軟件實(shí)現(xiàn)方法 ??????????????????????????????? x 等精度頻率測量的實(shí)現(xiàn) ??????????????????????? ??? x ??????????????????????????? x 程序流程圖 ??????????????????????????????? x 38 程序清單及仿真 ????????????????????????????? x 4. 系統(tǒng)測試 ????????????????????????????????? x 測試儀器與設(shè)備 ?????????????????????????????? x 指標(biāo)測試 ????????????????????????????? ???? x 、頻率、波形測量 ??????????????????????????? x ??????????????????????????????? x 誤差分析 ????????????????????????????????? x 相位誤差 ??????????????????????????????? x 頻率誤差 ??????????????????????????????? x 幅值量化誤差 ?????????????????????? ??????? x 5 結(jié)論 ??????????????????????????????????? x 參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????? x 附 錄 元器件明細(xì)表 ???????????????????????????? x 附錄 2：程序清單 ?????????????????????????????? x （注意：目錄中的頁碼根據(jù)實(shí)際論文的頁碼編寫，此處全部用 x表示。） 1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 （注：設(shè)計(jì) 要求與第 1章 ，本書為節(jié)省篇幅，略） 方案比較 相位測量方案 相位測量方案 的關(guān)鍵問題是相位測量方法的選擇。 方案一：基于數(shù)字鑒相技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方案 CD4046鑒相電路輸出經(jīng) AD0809 采樣后的數(shù)據(jù)送到 FPGA，經(jīng)過處理后，輸出到 LED顯示相位， 原理 方框圖如圖 。 圖 數(shù)字鑒相技術(shù)實(shí)現(xiàn) 相位測量原理方框圖 鎖相環(huán) （ CD4046） A/D 采樣 （ AD0809） 數(shù)據(jù)處理 （ FPGA） 顯示 相位值 輸入信號 39 方案二：利用高精度比較器實(shí)現(xiàn)的方案 將移相信號與基準(zhǔn)信號分別送到兩個(gè)過零比較器，使雙極性的正弦波轉(zhuǎn)換成單極性的方波。若兩路正弦波存在相位差 ，那么兩路方波也必定存在相同的相位差值。將相位差值對應(yīng)的時(shí)間間隔作為 FPGA對 50MHz 的脈沖數(shù)的計(jì)數(shù)時(shí)間，從而得到正弦波的相位差為： ONn 360???? 其中， n 為方波相位差對應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)， N 為方波一個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)。 上述兩種方案從對硬件的要求而言，方案一在 FPGA芯片基礎(chǔ)上需要一片 CD4046 和一片 AD0809，而方案二則在 FPGA芯片基礎(chǔ)上只需要一片 LM393；從測量性能方面來說，在低頻率方面，方案一的相位差總共只能有 256個(gè)量級，而采用通過 FPGA記脈沖數(shù)的方法 測量的精度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出此量級。因此，選用方案二，采用比較器 LM393 和 FPGA來實(shí)現(xiàn)測相。 移相網(wǎng)絡(luò)方案 方案一： 直接對模擬信號進(jìn)行移相，如阻容移相，變壓器移相等。采用這種方式設(shè)計(jì)的移相器有許多不足之處，如：輸出波形受輸入波形的影響，移相操作不方便，移相角度隨所接負(fù)載和時(shí)間等因素的影響而產(chǎn)生漂移等。 采用 阻容移相網(wǎng)絡(luò)的基本原理簡述如下： 由 RC 電路的原理可知，阻容移相網(wǎng)絡(luò)在不同頻率的正弦波電壓通過 RC 電路時(shí)，輸出端的電壓幅度和相位與輸入不同。兩種簡單的移相電路如圖 所示。 (a )相位 超前的相移網(wǎng)絡(luò) （ b）相位滯后的相移網(wǎng)絡(luò) 圖 阻容移相網(wǎng)絡(luò) 在圖 ，圖 (a )的模和相角分別為： RCRCRCF????1a rctg)(1 2??＝ （ ） 圖 (b)的模和相角分別為： 40 RCRCF???arctg)(112???? （ ） 顯然，兩種相移網(wǎng)絡(luò)都是隨著頻率的改變，單節(jié) RC 電路中所產(chǎn)生的 相移在 0 o～ 90 o之間變化。為滿足基本部分連續(xù)相移范圍：－ 45o ～＋ 45o 的要求，需采用一個(gè) 相位超前的相移網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)相位滯后的相移網(wǎng)絡(luò)。 有源移相原理圖如圖 。通過調(diào)整電路的電阻、電容等參數(shù)，電路可以實(shí)現(xiàn)對特定頻率信號的移相，但在被移相信號的頻率發(fā)生變化時(shí)，模擬移相電路的相應(yīng)參數(shù)勢必要隨之調(diào)整。對于題目要求給出的 100Hz、 1KHz、 10KHz 的三個(gè)頻率，可以用 FPGA通過四選一模擬開關(guān) CD4052來選擇對應(yīng)的三路模擬移相電路，可以滿足題目中的基本要求。但要在各個(gè)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的移相 ，硬件電路將會很復(fù)雜。 圖 移相網(wǎng)絡(luò) 方案二：采用數(shù)字移相技術(shù)，其 核心是：先將模擬信號或移相角數(shù)字化，經(jīng)移相后再還原成模擬信號。 高速 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC5510 將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將采集的數(shù)字信號通過 FPGA進(jìn)行移相處理后，送至高速 D/A轉(zhuǎn)換器 AD7524，從而把經(jīng)過處理的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成量化的電流，再通過 TL082 高速運(yùn)放，使電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而達(dá)到 對信號的移相處理。其中，對信號的處理上采用了 DDFS 技術(shù)，在一個(gè)正弦周期內(nèi)采用360個(gè)采樣 點(diǎn)，即 360度 /360=1度 /個(gè)，通過依次更改采樣點(diǎn)輸出順序就可以方便地控制相位。 該方案精度高，且易于傳送。 原理框圖如圖 。 權(quán)衡以上兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用第二種方案。 .. 圖 采用數(shù)字移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號移相 高速 A/D 采樣 （ TLC5510） 數(shù)據(jù)處理 （ FPGA） 高速 D/A轉(zhuǎn)換 （ AD7524） 移相信號 輸入信號 41 正弦波信號發(fā)生器方案 方案一：采用模擬分立元件或單片機(jī)控制函數(shù)發(fā)生器完成設(shè)計(jì)。通過調(diào)整外部元件可以改變輸出頻率，產(chǎn)生正弦波。但是采用模擬器件分散性大，產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定性較差、精 度低、抗干擾能力差、成本也比較高。 方案二：采用直接數(shù)字頻率合成，用單片機(jī)作為核心控制部件，能達(dá)到較高的要求，實(shí)現(xiàn)各種波形輸出，但受限于運(yùn)算位數(shù)及運(yùn)算速度，產(chǎn)生的波形往往需通過濾波器才能達(dá)到滿意效果，并且頻率可調(diào)范圍小，很難得到較高頻率。 方案三：采用直接數(shù)字頻率合成，用 FPGA器件作為核心控制部件，精度高穩(wěn)定性好，得到波形平滑，特別是由于 FPGA的高速度，能實(shí)現(xiàn)較高頻率的波形，且控制上更方便，可得到較寬頻率范圍的波形輸出，步進(jìn)小。 顯然第三種方案具有更大的優(yōu)越性、靈活性，所以采用第三種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 頻率測量方案 方案一： 采用測周期法 。 需要有標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率 fs，在待測信號的一個(gè)周期 Tx 內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率的周期數(shù) Ns，則被測信號的頻率為： fx=fs/Ns（如圖 ）。 這種方法的計(jì)數(shù)值會產(chǎn)生 177。1 個(gè)字誤差，并且測試精度與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值 Ns有關(guān) 。 為了保證測試精度，測周期法 僅適用于 低頻信號 的測量。 方案二：采用 測頻法 。 測頻法就是在確定的閘門時(shí)間 Tw內(nèi)，記錄被測信號的變化周期數(shù)（或脈沖個(gè)數(shù)） Nx（ 如圖 ） ，則被測信號的頻率為： fx=Nx/Tw。這種方法的計(jì)數(shù)值會產(chǎn)生177。1 個(gè)字誤差，并且測 試精度與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值 Nx有關(guān) ，且不便于 高頻信號 的 測 量。 圖 測周期法測量頻率原理圖 圖 測頻法測量頻率原理圖 方案三： 采用等精度頻率測量法 ， 測量精度保持恒定，不隨所測信號的變化而變化 。 在快速測量的要求下，要保證較高精度的測頻，必須采用較高的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號 。 單片機(jī)受本身時(shí)鐘頻率和若干指令運(yùn)算的限制，測頻速度