低频数字式相位测量仪 vhdl fpga.docx
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低频数字式相位测量仪vhdlfpga
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低频数字式相位测量仪热【字体：
小大】
低频数字式相位测量仪
作者：
lintel信息来源：
本站原创点击数：
8523更新时间：
2006-4-3
低频数字式相位测量仪（C题）
摘
要：
设计了一基于现场可编程门阵列（FPGA）的低频数字式相位测量仪。
该测量仪包括数字式移相信号发生器和相位测量仪两部分，分别完成移相信号的发生及其频率、相位差的预置及数字显示、发生信号的移相以及移相后信号相位差和频率的测量与显示几个功能。
其中数字式移相信号发生器可以产生预置频率的正弦信号，也可产生预置相位差的两路同频正弦信号，并能显示预置频率或相位差值；相位测量仪能测量移相信号的频率、相位差的测量和显示。
两个部分均采用基于FPGA的数字技术实现，使得该系统具有抗干扰能力强,
可靠性好等优点。
关键词：
现场可编程门阵列（FPGA）数字式相位测量仪
Abstrct：
Thepaperdealswithdesigningofalowfrequencyphase
measurementsystembasedonFPGAtechnology.Thisphasemeasurementsystem
includestwomodules---asignalgeneratorandaphasemeasurement
subsystem.Itssignalgeneratormodulecangenerateasinwavewith
preconcertedfrequencyandtwowaveswithpreconcertedphasedifference.
Itcancontinuouslychangesignalphasesthroughphaseshifting.Andits
phasemeasurementsubsystemhasfunctionsofmeasuringsignalphaseand
phasedifferenceoftwosignals.Allofitsthreemodulesadoptdigital
technologybaseonFPGA.Thissystemischaracteristicofitsstrong
antijammingperformanceandfinestability.
Keywords：
FPGA/Digital/Phasemeasurementsystem
0引言………………………………………………………………………………………3
1系统设计
1.1设计要求……………………………………………………………………………………3
1.2方案比较……………………………………………………………………………………4
1.2.1相位测量仪方案……………………………………………………………………………4
1.2.2移相网络方案………………………………………………………………………………4
1.2.3正弦波信号发生器方案……………………………………………………………………5
1.2.4频率测量方案………………………………………………………………………………5
1.2.5幅度控制方案………………………………………………………………………………6
1.2.6滤波选择方案………………………………………………………………………………6
1.2.7显示界面方案………………………………………………………………………………7
1.3方案论证……………………………………………………………………………………7
1.3.1总体思路……………………………………………………………………………………7
1.3.2设计方案…………………………………………………………………………………7
2单元电路设计
2.1相位测量仪………………………………………………………………………………7
2.1.1原理方框图…………………………………………………………………………………7
2.1.2相位测量原理…………………………………………………………………………8
2.1.4电路图分析………………………………………………………………………………
2.2数字式移相信号发生器……………………………………………………………………10
2.2.1数字移相原理……………………………………………………………………………10
2.2.2正弦波信号发生……………………………………………………………………………10
3软件设计
3.1用VHDL编写程序…………………………………………………………………………12
3.2程序流程……………………………………………………………………………………12
3.2.1等精度频率测量的实现…………………………………………………………………12
3.3程序清单仿真………………………………………………………………………………13
4系统测试……………………………………………………………………………………14
5结论…………………………………………………………………………………………17
参考文献……………………………………………………………………………………17附录
…………………………………………………………………………………………17
0.引言
同频率正弦信号间的相位差测量在电工技术、工业自动化、智能控制及通讯、电子等许多领域都有着广泛的应用，如电工领域中的电机功角测试，介质材料损耗角的确定等。
因此，相位差测量技术有着广泛的实用价值。
相位的数字测量方法基本分为硬件电路测量与A/D采样后利用软件计算两种。
硬件法测量由于电路结构比较复杂、易受外界干扰影响以及准确度较差的缺点，限制了进一步发挥它的作用。
近年来，随着计算机软硬件及其外围设备的日益发展，以数字信号处理为核心的软件法测量技术在相位差的测量中得到了越来越多的关注，并取得了较快发展。
FPGA是20世纪90年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着EDA（电子设计自动化）技术和微电子技术的进步，FPGA的时钟延迟可达到ns级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景；并且FPGA具有高集成度、高可靠性，几乎可将整个设计系统下载于同一芯片中，实现所谓片上系统，从而大大缩小其体积。
本设计基于FPGA设计的低频数字式相位测量系统，具有很好的发展前景和开发价值。
1系统设计
1.1设计要求
一、任务
设计并制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分，示意图如下：
二、要求
1、基本要求
（1）设计并制作一个相位测量仪（参见图1）
a．频率范围：
20Hz～20kHz。
b．相位测量仪的输入阻抗≥100kΩ。
c．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V～5V范围内变化。
d．相位测量绝对误差≤2°。
e．具有频率测量及数字显示功能。
f．相位差数字显示：
相位读数为0°~359.9°，分辨力为0.1°。
（2）参考图2制作一个移相网络
a．输入信号频率：
100Hz、1kHz、10kHz。
b．连续相移范围：
－45°～＋45°。
c．A＇、B＇输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。
2．发挥部分
（1）设计并制作一个数字式移相信号发生器（图3），用以产生相位测量仪所需的输入正弦信号，要求：
a．频率范围：
20Hz～20kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。
b．A、B输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。
c．相位差范围为0～359°，相位差步进为1°，相位差值可预置。
d．数字显示预置的频率、相位差值。
（2）在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输入正弦电压峰-峰值至0.3V～5V范围。
（3）用数字移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位差值和不同幅度进行校验。
（4）其它。
1.2方案比较
1.2.1相位测量方案
该方案的关键问题是相位测量方法的选择。
方案一：
采用直读法，可直接读出被测相位差的数值。
用单片机作为核心控制部件,
如图1.2.1示由于受限于时钟频率和若干指令运算的限制，测相速度较慢，无法满足高速、高精度的测相要求。
单片机89C52
相位显示
A输入
B输入
FPGA测量控制仪
相位显示
A输入
B输入
图1.2.1以单片机为核心控制部件测量相位图1.2.2以FPGA为核心控制部件测量相位
方案二：
采用直读法，用FPGA作为核心控制部件,其优点是方便、快速、可随时显示。
其原理框图如图1.2.2
示。
并且结合现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammableGate
Array）具有集成度高、高速和高可靠性的特点，使频率的测频范围可达到0.1Hz～100MHz，测频全域相对误差恒为1/1000000。
为满足基本部分和发挥部分的要求，采用第二种方案进行设计。
1.2.2移相网络方案
方案一：
直接对模拟信号进行移相，如阻容移相，变压器移相等。
采用这种方式设计的移相器有许多不足之处，如：
输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等。
采用阻容移相网络的基本原理简述如下：
由RC电路的原理可知，不同频率的正弦波电压通过RC电路时，输出端的电压幅度和相位，都与输入不同。
图1.2.3中画出了两种简单的移相电路。
图1.2.3（a）相位超前的相移网络（b）相位滞后的相移网络
图1.2.3中的模和相角分别为：
（a）（b）式（1-2-1）
由式（1-2-1）中的（a）和（b）式可知，两种相移网络都是随着频率的改变，单节RC电路中所产生的相移在0o～90
o之间变化。
因此，采用一个相位超前的相移网络和一个相位滞后的相移网络，可满足连续相移范围：
－45o～＋45o的要求。
但电路复杂，难于调试。
方案二：
采用数字移相技术，其核心是：
先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。
该方案精度高，且易于传送。
原理框图如图1.2.4示。
模拟信号
或移相角
A/D、移相、D/A
模拟信号
图1.2.4采用数字移相技术实现信号移相
权衡以上两方案的优缺点，本设计选用第二种方案。
1.2.3正弦波信号发生器方案
方案一：
采用模拟分立元件或单片机压控函数发生器完成设计。
通过调整外部元件可以改变输出频率，产生正弦波。
但是采用模拟器件分散性大，产生的频率稳定性较差、精度低、抗干扰能力差、成本也比较高。
方案二：
采用直接数字频率合成，用单片机作为核心控制部件，能达到较高的要求，实现各种波形输出，但受限于运算位数及运算速度，产生的波形往往需通过滤波器才能达到满意效果，并且频率可调范围小，很难得到较高频率。
方案三：
采用直接数字频率合成，用FPGA器件作为核心控制部件，精度高稳定性好，得到波形平滑，特别是由于FPGA的高速度，能实现较高频率的波形。
且控制上更方便，可得到较宽频率范围的波形输出，步进小。
显然第三种方案具有更大的优越性、灵活性，所以采用第三种方案进行设计。
1.2.4频率测量方案
方案一：
采用测周期法。
需要有标准信号的频率fs，在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周期数Ns，则被测信号的频率为：
fx=fs/Ns（如图1.2.5示）。
这种方法的计数值会产生±1个字误差，并且测试精度与计数器中记录的数值Ns有关。
为了保证测试精度，测周期法仅适用于低频信号的测量。
方案二：
采用测频法。
测频法就是在确定的闸门时间Tw内，记录被测信号的变化周期数（或脉冲个数）Nx（如图1.2.6），则被测信号的频率为：
fx=Nx/Tw。
这种方法的计数值会产生±1个字误差，并且测试精度与计数器中记录的数值Nx有关，且不便于高频信号的测量。
图1.2.5测周期法测量频率原理图图1.2.6测频法测量频率原理图
方案三：
采用等精度频率测量法，测量精度保持恒定，不随所测信号的变化而变化。
在快速测量的要求下，要保证较高精度的测频，必须采用较高的标准频率信号。
单片机受本身时钟频率和若干指令运算的限制，测频速度较慢，无法满足高速、高精度的测频要求；而采用高集成度、高速的现场可编程门阵列FPGA为实现高速，高精度的测频提供了保证。
因此选用第三种方案。
1.2.5幅度控制方案
方案一：
采用数字电位器实现（如图1.2.7）。
分压电阻选用数字电位器，调整数字电位器的滑动端，即可实现幅度控制，很难实现幅度的小步进调节，且精度较低。
图1.2.7数字电位器实现幅度控制图1.2.8D/A转换器实现幅度控制
方案二：
采用D/A转换器实现（如图1.2.8）。
第一级D/A的输出作为第二级D/A的参考电压，以此来控制信号发生器的输出电压。
D/A转换器的电流建立时间将直接影响到输出的最高频率。
因此，选用高精度的D/A转换器，可实现高精度幅度控制，且步进小。
经比较，选用第二种方案。
1.2.6滤波选择方案
为使产生的信号平滑，采用滤波电路对波形的进行后级处理。
由于信号的频率范围：
20Hz～20KHz，所以采用低通滤波器。
方案一：
采用最简单的无源RC低通滤波器。
电路图如图1.2.9示。
其特点是电压放大倍数低，带负载能力差，但电路简单。
图1.2.9无源RC低通滤波器图1.2.10一阶低通有源滤波器
方案二：
采用一阶低通有源滤波器。
电路图如图1.2.10示。
由于引入了集成运放，滤波器的通带电压放大倍数和带负载能力得到了提高。
但电路稍复杂。
综合考虑，选用方案一。
1.2.7显示界面方案
这是决定系统使用是否方便的关键。
方案一：
采用点阵式液晶显示器（LCD）显示。
虽然其功能强大，可显示各种字体的数字、汉字，图像，还可以自定义显示内容，但是编程复杂，需要完成大量的显示工作。
方案二：
采用发光二极管（LED）显示。
虽只能显示非常有限的符号和数码字，但可完全满足本设计数字显示的要求，且编程简单。
分析以上两种方案的优缺点，第二种方案更为方便、实用。
1.3方案论证
1.3.1总体思路
为满足相位测量仪与数字式移位信号发生器互相独立，不共用控制与显示电路的要求，采用两块xinlinx公司生产的Spartan2E系列xc2s100e-6pq208芯片分别作为相位测量仪与数字式移位信号发生器的主控部分进行设计。
相位测量仪设计的关键问题是：
如何完成相位及频率的测量。
数字式移位信号发生器设计的核心问题是：
如何产生正弦波并进行数字移相。
1.3.2设计方案
系统方框图如下：
数字式移位信号发生器
频率/幅度/相位差显示
FPGA信号
发生器
FPGA
测量控制仪
频率显示
相位差显示
A
B
相位测量仪
图1.3.1系统方框图
数字式移位信号发生器可产生两路正弦波A和B，并测量两信号的频率、幅度、相位差，还可通过按键在频率、幅度、相位差显示间自由切换；相位测量仪同时测量、显示数字式移位信号发生器的输出信号A和B的相位差和频率。
因此，数字式移位信号发生器与相位测量仪组成的系统完成了：
移相信号发生→相位差测量→数字显示相位差的功能。
2单元电路设计
2.1相位测量仪
功能：
测量并显示A、B输入信号间的相位差及频率。
所需器件：
采用运放TL082，比较器LM393，Xinlinx公司生产的Spartan2E系列xc2s100e-6pq208芯片和数码管。
2.1.1原理方框图
比较器
比较器
FPGA
测量控制器
频率显示
相位差显示
运放
运放
B
A
图2.1.1相位测量仪原理方框图
图2.1.1为相位测量仪原理方框图。
首先将同频信号A、B经运算放大器放大后，输入到过零比较器中。
经过零比较器后的信号转变为方波信号，输入到FPGA芯片中。
通过VHDL语言编程、下载到FPGA芯片并烧制，实现了测频、测相及频率和相位差显示的功能。
2.1.2相位测量原理
被测信号A、B经过零比较器，在信号的正极性阶段产生脉冲A′和B′，整形后形成门控信号Ug，其中A′开启主门，B′关闭主门。
在门控时间内，时标信号通过主门进行计数显示，可以得到被测相位的值。
它的工作波形如图示。
设门控信号的开启时间为tφ，计数值为N，则：
式（2-1-1）
式中To为时标信号的周期。
由式（2-1-1）得被测相位差：
式（2-1-2）
若取fo＝360Hz，则每个计数脉冲表示1o，满足相位测量绝对误差≤2o的要求。
相位测量原理图如图2.1.2示。
图2.1.2相位测量原理图
2.1.3频率测量原理
在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。
首先给出闸门开启信号（预置闸门上升沿），此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。
然后预置闸门关闭信号（下降沿）到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。
可以看出，实际闸门时间τ与预置闸门时间τ1并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期。
测量原理方框图如图2.1.3示。
设在一次实际闸门时间τ中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns。
标准信号的频率为fs，则被测信号的频率为：
（式2-1-3）
图2.1.3等精度频率测量法原理
2.1.4电路图分析
因比较器输出电压很小，在输出端接一上拉电阻可提高输出电压；为保护芯片不会因电流过大而烧坏，在芯片输入端接一限流电阻。
电路图如图2.1.4示。
2.2数字式移相信号发生器
所谓移相是指两种同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的移动，即称为是相位的移动。
两路信号的相位不同，便存在相位差，简称相差。
若我们将一个信号周期看作是3600，则相差的范围就在0°～360°。
2.2.1数字移相原理
随电子技术的发展而兴起的数字移相技术，这是目前移相技术的潮流。
数字移相原理简述如下：
先将任意波形信号数字化，并形成一张数据表存入FPGA芯片中，此后可通过两片D／A转换芯片在FPGA的控制下连续地循环输出该数据表，就可获得两路任意波形信号，当两片D／A转换芯片所获得的数据序列完全相同时，则转换所得到的两路任意波形信号无相位差，称为同相。
当两片D／A转换芯片所获得的数据序列不同时，则转换所得到的两路任意波形信号就存在着相位差。
由于数据表中数据的总个数一定，因此相位差的值只与数据地址的偏移量有关。
这种处理方式的实质是：
将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值。
方框图如下：
任意波形输入
FPGA
A/D
D/A
相位差⊿φ
图2.2.1数字移相原理框图
本设计中数字式移相信号发生器可自行产生两路同频正弦波信号。
由于正弦波函数表早已编辑好并存储于ROM中，因此可通过软件编程实现ROM地址中的数据按不同数据序列的循环输出的功能，并经D/A转换后得到两路移相正弦波。
2.2.2正弦波信号发生
2.2.2.1正弦波的合成
对一个幅度为1的正弦波的一个周期进行1024点采样，用Matlab计算得到每一点对应的幅度值，然后量化成8位二进制数据存放在ROM中，理论上，采样的点数及量化的位数越多，合成的波形精确度越高，但是，DAC7520的位数为10位，量化等级最高为1024，其量化误差已能达到要求，对于查正弦表的舍入误差也可忽略，故不再细分。
这里采用360个采样点，是为了调频时能得到较好的波形。
依次取出ROM中的数据，即可得到幅度上是阶梯型的正弦波。
再经过D/A转换，便可得到连续的正弦波。
2.2.2.2频率调节的实现
直接数字频率合成（DirectDigitalFrequency
Synthesis，即DDFS，一般简称DDS）是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。
由于采用DDS技术，在ROM中存有波形一个周期的n个等间隔归一化采样数据，改变对ROM的扫描频率，从而改变对ROM中数据的读取速度，即可合成不同频率的波形，存储器中存入过量的采样值，使得采样点数较少时，依然能够得到较好的波形输出，从而得到较高的频率输出。
否则，采样点数太少会使产生的波形严重失真。
输出波形的频率可由式
（2-2-1）计算：
式（2-2-1）
其中，fosc为晶振频率，k为分频系数，360为采样点数，则：
式（2-2-2）
在实现方法上，现有的晶振为50MHz，若通过按键预置频率f＝1KHz，则f0取1KHz。
由式（2-2-2）可得分频系数k＝138.88，进行四舍五入得：
k＝139。
不同的分频系数，对应不同的存储幅值ROM的扫描频率fs，从而改变了对ROM中数据的读取速度⊿t
。
已知一个周期采样点数N为720个，设输出波形的周期为T，则：
式（2-2-3）
因此频率调节的全过程可总结为：
改变预置频率f→分频系数k改变→对ROM的扫描频率fs改变→读取ROM数据的速度⊿t改变→输出波形周期T改变→
输出波形频率f0改变。
图2.2.2数字式移相信号发生器电路图
2.2.2.3幅度控制、双D/A设计
双D/A转换是实现幅度可调的关键。
D/AC输出电压VDAC作为幅度控制的D/AC的参考电压输入，依据：
式（2-2-4）
其中：
K为一常系数，N为D/AC的输入数据。
本系统采用的是高精度D/A转换器DAC7520，电流建立时间为1.0μs，幅度控制用10位D/A控制，最大峰－峰值为5V。
2.2.2.4滤波、显示设计
采用无源低通滤波器，滤除信号中的干扰信号。
数码管显示幅度、频率、相位差。
2.2.2.5电路图如图2.2.2示。
3软件设计
3.1开发软件及编程语言简介
系统采用硬件描述语言VHDL按模块化方式进行设计，并将各模块集成于FPGA芯片中，然后通
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