基于FPGA的等精度频率与相位计设计文档格式.docx

基于FPGA的等精度频率与相位计设计文档格式.docx

《基于FPGA的等精度频率与相位计设计文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于FPGA的等精度频率与相位计设计文档格式.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

刘智超指导教师：

方艳红赵海龙

学生单位：

信息工程学院技术职称：

讲师助教

学生专业：

生物医学工程教师单位：

信息工程学院

西南科技大学教务处制

摘要：

频率、相位是信号最重要的两个特征值，把握了它们，就可以基本把握一个信号。

因此研制高精度的频率与相位测量设备具有十分重要的意义。

本文介绍了基于FPGA的等精度频率与相位计的设计，包括硬件和软件设计，设计主要分为三个模块：

计数模块、计算模块和显示模块，计数模块对被测信号周期数进行计数，计算模块对信号处理模块输出的数据进行计算，最后计算结果由显示模块显示。

实验结果表明，这种基于FPGA的方法可以对频率、相位以及脉宽进行测量，并在精度和处理速度都达到实际计要求，由此可以看出，本课题有其发展空间和实际价值。

关键词：

等精度；

频率与相位计；

FPGA

TheDesignofEqualPrecisionFrequencyandPhaseMeterBasedonFPGA

Abstract:

Frequencyandphasearetwoimportantcharacteristicsofasignal.Graspingthesetwocharacteristicsmeansthatwecouldbasicallygraspasignal.Soitisverysignificanttodevelopahighprecisionfrequencyandphasemeter.ThedevelopmentofanequalprecisionfrequencyandphasemeterbasedonFPGAisintroducedinthispaper,mainlyaboutthedesignofhardwareandsoftware.TheDesignmainlyincludesthreemodules:

countingmodule,calculatingmoduleanddisplayingmodule.Thenumberofperiodofasignaliscountedbycountingmodule,datafromcountingmoduleiscomputedbycalculatingmodule,andfinallytheresultfromcalculatingmoduleisshowedbydisplayingmodule.ThemeasureresultsshowthatfrequencyandphasemeterbasedonFPGAcouldscalefrequency,phaseandpulsewidth,andcouldmeetrequiresofspeedandprecision.Therefore,thisdesignwilltakeupanimportantpositioninthefutureandhavepracticalvalue.

Keywords:

equalprecision,frequencyandphasemeter,FPGA

第一章绪论

1.1课题背景及意义

频率、相位是现代数字信号的基本也是最重要的特征。

在电子信号测量中，频率测量是最基本的测量量之一，工程中很多测量，如用振弦式力测量、时间测量、速度测量、速度控制等，都涉及到频率测量，或可归结为频率测量；

相位的测量在实际中也有很重要的应用，比如基于红外定位技术的矿井提升机位置跟踪系统，这个系统就是通过红外在井罐和被测点反射的相位差来进行定位的，即在井罐发射一组连续红外线，并接受其反射信号，通过发射和反射信号的相位差来代替时间，从而计算出距离；

又如伺服电机驱动，也需要考虑测量信号的相位差。

电子技术在不断发展，与之相关的测量仪器也随着发展，尤其在电子通讯技术发达的今天，信号的测量尤为重要，频率相位计作为一种检测信号频率和相位的仪器，对其精度和应用范围有更严格要求，所以设计一个高频率范围高精度的频率相位计在实际应用中有重要意义。

随着电子技术的飞速发展，我们已进入数字化和信息化时代，其特点是各类数字产品的广泛应用，数字产品不但功能越来越强，结构越来越复杂，更新速度也越来快，这就要求设计数字产品时必须缩短开发周期，现代电子技术设计的核心是EDA技术，20世纪90年代后期，随着集成电路的发展，利用大规模集成电路来完成各种高速、高精度电子仪器的设计已经成为一种行之有效的方法。

采用这种技术制成的电子仪器电路结构简单、性能可靠、测量精确且易于调试。

而随着出现了以高级描述语言、系统功能仿真和综合技术为特征的第三代EDA工具的出现，使得EDA技术更加完善，这是因为这些EDA工具有以下特征：

EDA设计层次由RLT级提高到系统级（行为级），并推出行为级综合工具，节约成本，缩短设计周期；

为带有IP的ASIC设计提供软硬件协同设计工具；

建立并行设计工程框架结构的集成化工具。

而FPGA的发明，为在高频领域实现数字信号处理提供了更好的方法，因为FPGA器件在高频方面有着模拟器件不可比拟的优势，加上对器件要求没有模拟电器那么高，在设计中随时可进行仿真，可以有效避免浪费。

综上所述，FPGA在电子设计领域有广阔的发展空间。

1.2国内外研究状况和进展

频率测量方面，国外该技术的进步远远超过了其他测量仪器，我国频率特性测量仪器发展经历了进口、仿制和开发三个阶段，开发技术取得了长足的进步。

但是，现有的频率计多采用模拟式，电路复杂，价格昂贵，而且不能直接用于测量，给使用者带来诸多不便。

对于频率测量，常用数字频率测量方法有M法T法和M/T法。

M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。

这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率，当被测信号频率较低时将产生较大误差,除非闸门时间取得很大.所以这种方法比较适合测量高频信号的频率。

T法是通过测量被测信号的周期然后换算出被测信号的频率，这种测量方法的测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，当被测信号频率较高时,对计时精度的要求就很高，这种方法比较适合测量频率较低的信号。

M/T法具有以上两种方法的优点,它通过测量被测信号数个周期的时间然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度。

现代相位测量技术的发展可分为三个阶段：

第一阶段是在早期采用的诸如李沙育法、阻抗法、和差法、三电压法等，这些测量方法通常采用对比法和平衡法，虽然方法简单，但测量精度较低；

第二阶段是利用数字电路、微处理器等来构成测量系统，使测量精度大大提高；

第三阶段是充分利用计算机及智能化测试技术，如在美国等发达国家采用了LABVIEW虚拟仪器构成测试系统，从而大大简化设计程度，增强功能，使得相应的产品精度更高、功能更全。

同时随着各种新的算法、测量手段和新的设计方法、新器件的出现，相位测量技术也孕育着改进和突破的新机。

在相位测量技术方面，美国一直处于领先地位，主要的研究机构及公司有NBS、HP、WD-YU公司及DRANETZ实验室，俄罗斯在此领域也具有较高的水平。

商品化的通用相位计的测量频段为0.1Hz数量级，最高频率可达100GHz；

相位分辨率可达0.0010；

相位测量范围为-180°

至+180°

，少量可达720°

；

在相位准确度方面，低频为0.0020，高频为0.20，微波为0.50。

在国内，60年代和70年代是相位测量研究的黄金时代，有众多的研究所、工厂和其他行业部门均进行了相位测量技术的研究并取得了一定的成果。

如国家计量科学院、国防科工委第二计量研究所、电子部第十研究所、第十四研究所等单位，它们初步奠定了我国相位测量的基础，研制出一批专用和通用的相位计产品。

1964年，我国第一台相位测量仪器US2型交流相位差计问世，其极限误差为30°

。

1979年12月，国家计量总局正式批准进行相位量值传递。

从80年代开始，微处理机被广泛的应用于多个技术领域，多种型号的电子相位计相继投入市场，取代了以往的相位计。

但总的说来，我国的相位测量技术与发达国家相比尚有较大的差距，主要体现在产品品种少，配套产品少，产品测试功能单一，仪器精度、数字化和自动化不能满足用户需求。

目前国外提出了改进相位测量精确度的方法，包括有:

（1）采用专用数字处理芯片，利用正余弦表格及傅立叶等方法来计算相位差，可大大提高测量精度。

（2）采用新器件及设计方法提高相位测量的精度。

（3）采用新的算法来进行相位测试。

总而言之，现代电子测量仪器是与智能测量技术、计算机技术紧紧结合在一起的，每一次计算机技术和电子技术的革命都带来电子测量仪器的革命。

因此，只有不断的采用新技术和新方法，才能使相位计的测量精度不断提高。

1.3本文主要工作及内容安排

根据分析调查结果，本课题设计一个基于FPGA的等精度频率与相位计。

其主要特点是：

利用VHDL编程，可在每一步对设计进行仿真，保证每一步设计都可达到要求，使成本更节约，精度更高，开发周期更短；

基于FPGA的数字电路设计，能充分利用其高频特性和现场编程功能以及其处理数字信号的能力，对高频被测信号达到高精度测量，这些是以往模拟器件很难做到的；

Altera公司开发的QuartusII软件集成了功能强大的宏模块，可以方便地进行调用，以便更快更可靠完成设计工作；

用FPGA实验箱的8段LED数码管对设计结果进行显示，可以方便直观的观察设计结果。

本设计的具体工作包括：

（1）深入了解M/T法测量频率的技术，包括：

信号预处理、在一定时间对信号计数、计数器数据的存储和处理以及控制信号的设置。

（2）研究对两个信号求相位差的方法，以及通过频率和时间差求相位差的算法。

（3）用VHDL和QuartusII中集成的宏模块配合完成设计，VHDL主要是完成信号预处理和信号周期计数以及译码显示，而计算主要是利用宏模块完成。

（4）在硬件实现中，功能选择等控制模块所需信号是通过一系列开关实现的，而数据的显示是通过8段led数码管实现的，系统的时钟（标准）信号又实验箱上的晶振通过FPGA的J3脚引入。

在后续章节中，第二章将简要介绍频率相位测量计的基本原理方法以及各项参数的计算方法等；

第三章将介绍等精度频率与相位计的结构划分；

第四章将讨论频率相位测量计的软件实现和系统仿真；

第五章将对系统功能调试、测试方法及结果做详细阐述，指出存在的问题及可能的解决方法/思路。

第二章等精度频率相位计的基本原理

2.1频率测量的基本原理

在频率测量方法中，常用的有直接测频法、倍频法、和综合测频法。

这三种方案各有利弊，其中直接测频法是依据频率的含义把被测频率信号加到闸门的输入端，只有在闸门开通时间T（以1s计）内，被测信号的脉冲送到32位计数器进行计数。

设计数器的计数值为,则可得到被测信号频率。

但是由于闸门的开通、关闭的时间与被测频率信号的跳变难以同步,因此采用此测量方法在低频段的相对测量误差可能达到50%，即在低频段不能满足设计要求。

但根据三个方案的分析，直接测频法比其他两个方案更加简单方便可行，直接测频法虽然在低频段测量时误差较大，但在低频段我们可以采用直接周期测量法测量，这样就可以提高测量精度了。

直接周期测量法是用被测周期信号直接控制计数门控电路,