【文章內(nèi)容簡介】 （ AD7524）；把幅度數(shù)據(jù)送至 D/A轉(zhuǎn)換器（ AD7520），經(jīng) D/A轉(zhuǎn)化得到電平，作為波形 D/A轉(zhuǎn)化器的基準(zhǔn)電平，從而實現(xiàn)調(diào)幅功能。存儲器內(nèi)存儲了正弦波在一個時域周期 360個采樣點，量化級數(shù)為 256。 2. 平滑濾波：采用 RC 濾波網(wǎng)絡(luò)。 頻率，相位，幅度都是通過 2 位開關(guān)的組合在一個 4 位一體的數(shù)碼管顯示的。 圖 數(shù)字式移相信號發(fā)生器方框圖 （ 6） FPGA 控制部分電路原理圖 與低頻數(shù)字式相 位測量儀 FPGA控制部分電路原理圖相同， 如 圖 。 （ 7） 數(shù)字式移相信號發(fā)生器顯示 /按鍵 /開關(guān)部分 數(shù)字式移相信號發(fā)生器顯示 /按鍵 /開關(guān)部分如圖 。圖中， J2 為阻值為 10KΩ 的5腳排阻。 D D2 在這里起簡單的降壓作用，把 5V直流電壓變?yōu)槁源笥?。 53 圖 數(shù)字式移相信號發(fā)生器顯示 /按鍵 /開關(guān)部分 （ 8）數(shù)字式移相信號發(fā)生器 正弦波 A/B信號發(fā)生部分 數(shù)字式移相信號發(fā)生器 正弦波 A信號發(fā)生部分電原理圖如圖 （ B 信號發(fā)生電路完全相同，略）。圖中， 1. U4（ AD7520）和運放 U8A把來自 FPGA幅度數(shù)據(jù) U40~U49轉(zhuǎn)化為 AD7524 的基準(zhǔn)電壓，從而實現(xiàn)數(shù)控調(diào)壓，步進(jìn)為 10Mv。 2. U2（ AD7524）和 U9A、 U9B 運放把來自 FPGA波形數(shù)據(jù) U20~U27 轉(zhuǎn)化成正弦波 A。 3. R44 和 C20 構(gòu)成簡單的 RC 濾波網(wǎng)絡(luò)。 4. J7 為正弦波 A信號輸出接口， J8 為正弦波 B 信號輸出接口。 圖 數(shù)字式移相信號發(fā)生器 正弦波 A/B 信號發(fā)生部分電原理圖 54 （ 9）數(shù)字式移相信號發(fā)生器 電源 /濾波電路 數(shù)字式移相信號發(fā)生器 電源 /濾波電路與低頻數(shù)字式相位測量儀電 源 /濾波電路相同，如圖 。 3. 軟件設(shè)計 開發(fā)軟件及編程語言簡介 系統(tǒng)采用硬件描述語言 VHDL 按模塊化方式進(jìn)行設(shè)計，并將各模塊 集成于 FPGA 芯片中，然后通過 Xilinx ISE ModelSim Xilinx Edition XE仿真工具， 對設(shè)計文件自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，最后對FPGA芯片進(jìn)行編程，實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計要求。 采用 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Descriptipon Language）超高速集成電路硬件描述語言設(shè)計復(fù)雜數(shù)字電路的方法具有很多優(yōu)點， VHDL 語言的設(shè)計技術(shù)齊全、方法靈活、支持廣泛。 VHDL 語言的系統(tǒng)硬件描述能力很強(qiáng)，具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可以從系統(tǒng)級到門級電路，而且高層次的行為描述可以與低層次的 RTL 描述混合使用。 VHDL 在描述數(shù)字系統(tǒng)時，可以使用前后一致的語義和語法跨越多層次，并且使用跨越多個級別的混合描述模擬該系統(tǒng)。因此，可以對高層次行為描述的子系統(tǒng)及低層次詳細(xì)實現(xiàn)子系統(tǒng)所組成的系統(tǒng)進(jìn)行模擬。 軟件 實現(xiàn)方法 等精度頻率測量的實現(xiàn) 等精度測頻的實現(xiàn)方法可簡化為圖 。 CNT1和 CNT2是兩個可控計數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)頻率（ fs）信號從 CNT1 的時鐘輸入端 CLK 輸入；經(jīng)整形后的被測信號（ fx）從 CNT2的時鐘輸入端 CLK 輸入。每個計數(shù)器中的 CEN 輸入端為時鐘使能端控制時鐘輸入。當(dāng)預(yù)置門信號為高電平（預(yù)置時間開始）時，被測信號的上升沿通過 D 觸發(fā)器的輸出端，同時啟動兩個計數(shù)器計數(shù)；同樣，當(dāng)預(yù)置門信號為低電平（預(yù)置時間結(jié)束）時，被測信號的上升沿通過 D觸發(fā)器的輸出端，同時關(guān)閉計數(shù)器的計數(shù)。 等精度 測頻實現(xiàn)方法原理圖 如圖 。 55 圖 等精度測頻實現(xiàn)方法的原理 正弦波波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生 利用 計算波形數(shù)據(jù)，程序及結(jié)果如下： step=2*pi/1023。 x=0:step:2*pi。 y=*sin(x)+。 z=round(y) z = Columns 1 through 10 128 128 129 130 131 131 132 133 134 135 Columns 11 through 20 135 136 137 138 138 139 140 141 142 142 …… Columns 1021 through 1024 125 126 127 127 程序流程圖 數(shù)字式移相信號發(fā)生器程序流程圖如圖 。 首先通過開關(guān)選擇調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅功能，然后相應(yīng)的進(jìn)行置數(shù)或調(diào)節(jié)。調(diào)相和調(diào)頻通過撥盤碼進(jìn)行頻率和相位的預(yù)置。調(diào)幅通過兩個按鍵進(jìn)行連續(xù)的增幅和減幅 .最后將相 應(yīng)的數(shù)據(jù)送入數(shù)碼管顯示。 56 相位測量儀模塊程序流程圖如圖 示。首先判斷兩路輸入信號的上升沿，如果上升沿到達(dá)則計數(shù)器開始計數(shù)，否則繼續(xù)等待。在計數(shù)過程中繼續(xù)判斷第二路輸入信號的上升沿是否到達(dá)，如果到達(dá)則將計數(shù)結(jié)果保存并且繼續(xù)計數(shù)，直到第一路信號的下降沿到來后停止計數(shù)。 圖 相位測量儀模塊程序流程圖 圖 數(shù)字式移相信號發(fā)生器程序流程圖 Y 開 始 信號輸入 是否為上升沿 開始計數(shù) 等 待 Y N 第二個上升沿到來 N 存儲、計數(shù) 是否為下降沿 停止計數(shù) 并顯示 Y N 57 程序清單及仿真 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，數(shù)字式移相信號發(fā)生器的軟件設(shè)計分為：一個頂層映射總模塊和幅頻控制、數(shù)據(jù) ROM、譯碼、顯示四個子模塊。 通過 Xilinx的 映射為原理圖，后用數(shù)據(jù)線連接各子模塊，如圖 所示。 相位測量儀程序清單與各模塊的功能說明詳見附錄。相位測量儀頂層映射原理圖如圖 所示。 圖 相位測量儀頂層映射原理圖 58 圖 數(shù)字式移項信號發(fā)生器頂層映射原理圖 59 4. 系統(tǒng)測試 測試儀器與設(shè)備 測試用儀器與設(shè)備如表 所示。 表 測試用儀器與設(shè)備 儀器名稱 型號 指標(biāo) 生產(chǎn)廠 數(shù)量 FPGA 實驗儀 DPFPGA 廣州致遠(yuǎn)電子 有限公司 1 雙通道數(shù)字 示波器 綠揚 YB4365 100MHz 江蘇揚中電子 儀器廠 1 低頻信號發(fā)生器 GFG8216A 20KHz 江蘇揚中電子 儀器廠 1 數(shù)字萬用表 UT2020 3 位半 深圳勝利公司 1 穩(wěn)壓電源 DF1731SC2A 0～ 30V 江蘇揚中電子 儀器廠 1 計算機(jī) 聯(lián)想 PC 機(jī) ， 256M 內(nèi)存 聯(lián)想公司 1 指標(biāo)測試 測試表中凡以“ ”標(biāo)志代替的，均為無法測量到的數(shù)據(jù)。 幅值、頻率、波形測量 測量幅值：先將數(shù)字式移相信號發(fā)生器輸出接示波器，然后將數(shù)字式移相信號發(fā)生器 的撥動開關(guān)撥到置幅檔，調(diào)節(jié)按鈕 S1， S2，增加或減小幅值。 測試方法：低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波，輸入到相位測量儀的輸入端 A和 B，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器改變輸出信號的頻率，可通過數(shù)碼管顯示測量儀的實測頻率。 （ 1）相位測量儀輸出頻率測試 測試數(shù)據(jù)如表 。 （ 2）數(shù)字式移相信號發(fā)生器輸出波形測試 測試數(shù)據(jù)如表 。 （ 3）數(shù)字式移相信號發(fā)生器與相位測量儀聯(lián)調(diào)的測試 將數(shù)字式移相信號發(fā)生器兩路信號的輸出接到相位測量儀的兩輸入端，進(jìn)行數(shù)字式移相 60 信號發(fā)生器與相位測量儀聯(lián)調(diào)。 相位 差測量 測量相位差：先將數(shù)字式移相信號發(fā)生器的 A B兩輸出端與相位測量儀的 A B兩輸入端連接，然后設(shè)置撥碼盤，按下置數(shù)開關(guān)，相位測量儀的數(shù)碼管顯示頻率，接著撥撥動開關(guān)，調(diào)到置相檔，設(shè)置撥碼盤，按下置數(shù)開關(guān)，相位測量儀的兩數(shù)碼管顯示相位差和頻率。 表 表 數(shù)字式移相信號發(fā)生器測試數(shù)據(jù)表 被測量 實際輸入值 測量值 誤差 (%) 頻率 （ Hz） 20 100 101 500 500 0 1000 1006 10K 20K 61 誤差分析 相位誤差 （ 1）相位測量儀的相位誤差 ① 時基誤差： A/D 采樣時，由于采樣時鐘不穩(wěn)定或者受到干擾的影響，采 樣 時間間隔不均勻，造成采得信號的時間間隔有偏差 。 ② 噪聲的混入： 相位測試中，被測正弦信號會不可避免地混入噪聲，噪聲信號疊加于正弦信號之上，使正弦波的過零點發(fā) 生偏移。 采用小波技術(shù)處理 A/D 采樣后得到的信號，對混入的采集噪聲及直流、諧波分量進(jìn)行抑除，之后用兩信號最大點的時間間隔求取相位差， 可減小誤差 。 （ 2）數(shù)字式移相信號發(fā)生器的相位誤差 ① 相位量化誤差 :由于波形是通過一系列有限的離散采樣點表示的，這就不可避免地引被測量 預(yù)置值 實測值 誤差（ %） 相位差（ 186。） （ f＝ 1KHz） 0 0 0 45 125 215 359 頻率（ Hz） 20 20 0 100 100 0 1000 1002 10K 20K 幅值（ V） （ f＝ 1KHz） 0 0 62 入了相位量化誤差，增加采樣點數(shù)可減小誤差。本設(shè)計一個周期內(nèi)取 720 個采樣點。 ② 舍位引起的誤差 :在 DDFS 中，由于對分頻系數(shù) k 進(jìn)行四舍五入，會不可避免的產(chǎn)生相位誤差。 頻率誤差 由式 ()可知，若忽略標(biāo)頻 fosc的誤差，則等精度 測頻可能產(chǎn)生的相對誤差為 ： ％100f ff xe xxc ???? () 其中， fxe 為被測信號頻率的準(zhǔn)確值 。 在測量中，由于 fx計數(shù)的起停時間都是由該信號的上升測觸發(fā)的，在閘門時間 τ內(nèi)對 fx的計數(shù) Nx無誤差 xx TN ?＝? （ ） 對 fs 的計數(shù) Ns 最多相差一個數(shù)的誤差，即 ： |ΔNs|≤ 1,其測量頻率為 ： os css xxe ff ??????? ?NN N＋＝ （ ） 將式 ()和 式 （ ）代入式 ()，并整理得： os csss f11 ??? ?? ＝＝ NNN （ ） 由上式可以看出，測量頻率的相對誤差與被測信號頻率的大小無關(guān)，僅與閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率有關(guān)，閘門時間越長，標(biāo)準(zhǔn)頻率越高，測頻的相對誤差就越小。 幅值量化誤差 由于 ROM 中存儲的數(shù)據(jù)字長和 D/A位數(shù)有限，所以 D/A進(jìn)行幅值量化時會產(chǎn)生幅值量化誤差，增加數(shù)據(jù)字長和 D/A位數(shù)將可以減少這種誤差。 5 結(jié) 論 本設(shè)計制作完成了題 目要求的基本部分的全部要求和發(fā)揮部分的大部分要求，達(dá)到設(shè)計要求。個別指標(biāo)由于時間有限只完成相應(yīng)的軟件和硬件設(shè)計，整體調(diào)試還未能全部完成。 參考文獻(xiàn)： 1. 潘松，黃繼業(yè) .EDA技術(shù)實用教程 [M].北京：科學(xué)出版社 . 第一版 . 63 1. 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會 .第五屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編(2020)[M]. 北京 :北京理工大學(xué)出版社 . 第一版 . 2. 高吉祥，黃智偉，丁文霞 . 數(shù)字電子技術(shù) [M]. 北京：電子工業(yè)出版社， 2020 年，第 1版 3. 鄒其洪 黃智偉 高嵩 .電工電子實驗與計算 機(jī)仿真 [M].北京：電子工業(yè)出版社， 2020年，第 1版 4. 張友漢 .電子線路設(shè)計應(yīng)用手冊 [M].福建：福建科學(xué)技術(shù)出版社 . 第一版 . 5. 沈維聰 ， 劉義菊 . 數(shù)字移相技術(shù)的分析和實現(xiàn) . 年 . 附 錄 : 附錄 （注：本書為節(jié)省篇幅，略） 附錄 2：程序清單 （注：本書為節(jié)省篇幅，略） 附錄 3：印制板圖 （注：本書為節(jié)省篇幅，略） 附錄 4：系統(tǒng)使用說明（注：本書為節(jié)省篇 幅，略） 簡易智能電動車（ E 題） 設(shè)計與總結(jié)報告示例 （以下是一個實際的 簡易智能電動車（ E題） 設(shè)計與總結(jié)報告） 簡易智能電動車（ E 題） 摘要： 本設(shè)計采用兩塊單片機(jī)（ AT89C51 和 AT89C2051）作為智能小車的檢測和控制核心，實現(xiàn)小車識別路線 、 判斷并自動 躲 避障礙 、 選擇正確的行進(jìn)路線 、尋找光源等功能。 引導(dǎo)方式采用反射式光電傳感器感知與地面顏色有較大差別的導(dǎo)引線，障礙判斷采 用超聲波 傳感器。驅(qū)動電機(jī)采用直流電機(jī)，電機(jī)控制方式為單向 PWM控制。 電機(jī) 控制核心采用 AT89C2051單片機(jī)，控制系統(tǒng)與電路用光 電耦合器 完全隔離以避免干擾。控制上采用分時復(fù)用技術(shù) 對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。 關(guān)鍵詞 ： 智能控制 光電檢測 PWM脈寬調(diào)制 電動車 Simple Intelligentized Electric Motors Automobile