【正文】 .................................................................... 3 相位測量方法 ..................................................................................................... 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................................................ 4 第三章 兩相信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .............................................................................. 6 DDS原理 ............................................................................................................ 6 兩相信號發(fā)生器 EDA設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) ......................................................................... 7 兩相信號發(fā)生器頂層設(shè)計(jì) ......................................................................... 8 兩相信號發(fā)生器各底層模塊設(shè)計(jì) .............................................................. 8 兩相信號發(fā)生器頂層 EDA設(shè)計(jì) .................................................................. 8 數(shù)模轉(zhuǎn)換 ............................................................................................................ 9 濾波電路設(shè)計(jì) ................................................................................................... 10 OP27 .......................................................................... 10 濾波電路設(shè)計(jì) ........................................................................................ 10 電平移位及放大模塊設(shè)計(jì) .................................................................................. 11 第四章 頻率、周期測量模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ..................................................................... 12 頻率測量原理 ................................................................................................... 12 頻率測量模塊設(shè)計(jì) ............................................................................................ 13 比較電路設(shè)計(jì) ................................................................................................... 15 第五章 相位測量模塊的設(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、相位測量軟件設(shè)計(jì) ....................................................................... 22 第八章 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析 .......................................................................................... 23 兩相信號發(fā)生器模塊測試及分析 ....................................................................... 23 頻率、周期測量模塊測試及分析 ....................................................................... 23 相位差測量模塊測試及分析 .............................................................................. 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，測量一個(gè)信號的頻率、 周期及兩路同周期信號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量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率、周期、相位的測量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要。頻率和相位差的預(yù)置可以通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 ，將經(jīng)過處理后的兩路同頻率且具有一定相位差的脈沖信號轉(zhuǎn)換為一路同頻率且具有一定占空比的脈沖波，此信號的占空比與兩路信號的相位差成正比，此時(shí)只要計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)信號的正脈寬數(shù)和負(fù)脈寬數(shù)即可計(jì)算此信號的占空比，再將其乘以 360176。 相位測試儀在工業(yè)領(lǐng)域中是經(jīng)常用到的一般測量工具，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)的電信號相同，這就要求精確的測量兩工頻 信號之間的相位差。日常工作中，用它來測量 VF/VHF/UHF 頻段的頻率，也十分方便和準(zhǔn)確。獲陜西省第二屆技術(shù)成果交易洽談會金牌獎(jiǎng)；中國發(fā)明協(xié)會第六屆全國明發(fā)展覽會銀牌獎(jiǎng)。 設(shè) T為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘周期， N為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值， t為 兩信號的相位 時(shí)間差，則 t=NT,再根據(jù)相位與時(shí)間的關(guān)系，可推出相位12 * 3 6 0xtT? ? ?? ? ?，其中 Tx 為被測信號周期， 1? 、 2?分別為兩信號初相位。時(shí)鐘頻率 fclk輸入地址發(fā)生計(jì)數(shù)器和寄存器 ，地址計(jì)數(shù)器所選中的 ROM 地址的內(nèi)容被鎖入寄存器，寄存器的輸出經(jīng) DAC恢復(fù)成連續(xù)信號，即由各個(gè)臺階重構(gòu)的正弦波，若相位精度 n 比較大，則重構(gòu)的正弦波經(jīng)適當(dāng)平滑后失真很小。另外， DDS 的相位是連續(xù)變化的，形成的信號具有良好的頻譜，這是傳統(tǒng)的直接頻率合成方法無法實(shí)現(xiàn)的。從仿真結(jié)果知，頻率輸出每隔 70 讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，第二相輸出 超 前第一項(xiàng) 41 個(gè)數(shù)據(jù)。 圖 9 OP27 引腳圖 11 圖 10 四階巴特沃思低通濾波器 電平移位及放大模塊設(shè)計(jì) 正弦信號發(fā)生器通過 D/A、濾波后的輸出波形的幅值全都大于零，因此要設(shè)計(jì)一波形移位電路 使波形正負(fù)幅值相等 ，波形移位原理 [2]如下圖 11。由圖 13 可見， CL 的寬度和發(fā)生的時(shí)間都不會影響計(jì)數(shù)使能信號（ START）允許計(jì)數(shù)的周期總是恰好等于待測信號 TCLK 的完整周 13 期數(shù)這樣一個(gè)事實(shí)，這正是確保 TCLK 在任何頻率條件下都能保持恒定精度的關(guān)鍵。 圖 15 等精度頻率計(jì)測頻時(shí)序圖 圖 16 中，取 SPUL=‘ 0’ 時(shí)，系統(tǒng)被允許進(jìn)行脈寬測試。 D3 為 穩(wěn)壓二極管。 圖 21 測相位差模塊仿真波形 相位差 18 第六章 系統(tǒng) 總電路圖設(shè)計(jì) 模擬電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的模擬電路設(shè)計(jì)主要有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、 低通濾波器、 電平移位電路、幅值放大電路以及過零比較電路五部分。 具體軟件設(shè)計(jì) 流程圖如圖 25所示。 356176。 359176。為了得到兩相便于系統(tǒng)測量的信號源，我們又設(shè)計(jì)制作了一個(gè)兩相信號發(fā)生器，根據(jù) DDS 設(shè)計(jì)原理，結(jié)合 DA 轉(zhuǎn)換技術(shù)、巴特沃思低通濾 波器、電平移位和波形放大等處理，使輸出的兩相信號在頻率為 66Hz～ 17kHz、相位差為 0～ 360176。在實(shí)物制作時(shí)我們遇到了很多的問題，有時(shí)候一個(gè)問題我們調(diào)試了一個(gè)星期才解決掉。 END ADDER28B。 附錄 三 8 位加法器設(shè)計(jì)（ VHDL） LIBRARY IEEE。EVENT AND LOAD = 39。 clock_enable_output_a : STRING。 BEGIN q = sub_wire0(7 DOWNTO 0)。 起始計(jì)數(shù)標(biāo)志信號 32 EEND : OUT STD_LOGIC。 PORT ( clock0 : IN STD_LOGIC 。 q : OUT STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0) )。 DIN : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 THEN —— 時(shí)鐘到來時(shí)，鎖存輸入數(shù)據(jù) DOUT = DIN。 USE 。不過由于我們沒有使用 51單片機(jī)核的經(jīng)驗(yàn)，一開始就沒有選擇使用 51 核。 25 第 九 章 結(jié)論 論文根據(jù)等精度頻率、相位測試原理 ,設(shè)計(jì)出了具有高精度、高穩(wěn)定性的頻率、周期、相位測試儀。 83176。 87176。在 A信號的第一個(gè)上升沿到來時(shí)，若 D觸發(fā)器輸出為‘ 0’，則 A超前 B,反之 A滯后 B。 相位差 17 圖 20 測相位差模塊電路 圖 21所示為測相位差模塊的波形 仿真 圖。因此，在比較器輸出又加上了一個(gè) 的穩(wěn)壓二極管 ，使比較輸出的電壓適合 FPGA 的端口測量 。 仿真波形中 TCLK 和 BCLK 的周期分別設(shè)置為 10us 和 500ns。 圖 12