低频数字式相位测量仪27168

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1、.低频数字式相位测量仪摘要：本系统设计了一个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、信号的移相以及移相后信号相位差和频率的测量与显示等功能。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；相位测量仪能对移相信号的频率、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

2、场可编程门阵列（FPGA），数字式移相信号发生器，相位测量仪1.总体方案设计根据系统的设计要求，本系统可分为三大基本组成部分：数据采集电路、数据运算控制电路和数据显示电路。考虑到FPGA/CPLD具有集成度高，I/O资源丰富，稳定可靠，可现场在线编程等优点，而单片机具有很好的人机接口和运算控制功能，本系统拟用FPGA/CPLD和单片机相结合，构成整个系统的测控主体。如图1.1。图1.1系统原理框图1.1整形电路方案一：最简单的信号整形电路就是一个单门限电压比较器(如图1.2所示)，当输入信号每通过一次零时触发器的输出就要产

3、生一次突然的变化。当输入正弦波时，每过一次零，比较器的输出端将产生一次电压跳变，它的正负向幅度均受到供电电源的限制，因此输出电压波形是具有正负极性的方波，这样就完成了电压波形的整形工作。...图1.2采用单门限触发器的整形电路方案二：为了避免过零点多次触发的现象，我们使用施密特触发器组成的整形电路。施密特触发器在单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络。由于正反馈的作用，它的门限电压随着输出电压Uo的变化而改变，因此提高了抗干扰能力。本系统中我们使用两个施密特触发器对两路信号进行整形，电路图如图1.3所示。图1.3采用施密

4、特触发器的整形电路1.2相位测量方案方案一：采用脉冲填充计数法。将正弦波信号整成方波信号，对两路方波信号进行异或操作之后输出脉冲序列的脉宽可以反映两列信号的相位差，以输入信号所整成的方波信号作为基频，经锁相环倍频得到的高频脉冲作为闸门电路的计数脉冲，由单片机对获取的计数值进行处理得到两路信号的相位差。方案二：鉴相部分同方案一，将两路方波信号异或后与晶振的基准频率进行与操作，得到一系列的高频窄脉冲序列。通过两片计数器同时对该脉冲序列以及基准源脉冲序列进行计数，一路方波信号送入单片机外部中断口，作为控制信号控制两片计数器。得到

5、的两路计数值送入单片机进行处理得相位差值。对以上方案进行比较，方案一在所测频率较高时，受锁相环工作频率等参数的影响会造成相位差测量的误差，采用方案二由高精度的晶振产生稳定的基准频率，可以满足系统高精度、高稳定度的要求。1.3频率测量方案方案一：用专用频率计模块来测量频率，如ICM7216芯片，其内部带放大整形电路，可以直接输入正弦信号，外部振荡部分选用一块高精度晶振和两个低温度系数电容构成10MHz振荡电路，其转换开关具有0.01s，0.1s，1s，10s四种闸门时间，量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果。该方案

6、外围硬件电路较为复杂。方案二：利用可编程计数器来实现频率的测量，将被测信号转换为方波信号输入可编程计数器8254的某一路Clk端口，并将Gate端置为高电平，利用单片机产生的定时中断来控制8254的计数，最后计数值送入单片机处理并输出。...本设计中我们采用方案二。1.4数字移相信号发生器方案在数字移相信号发生器模块电路中，首先要生成两路相同频率、不同相位的正弦波信号，目前DDS已经是很完善的一种数字信号产生方案，所以在该部分，我们对产生正弦波信号的数字移相方案进行论证。方案一：利用D/A转换实现相移图1.4D/A转换移相

7、框图将正弦波信号数字化，并形一张数据表存入ROM芯片中，此后可通过两片D／A转换芯片在单片机的控制下连续地循环输出该数据表，就可获得两路正弦波信号。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正弦波信号无相位差，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正弦波信号就存在着相位差。相位差的值与数据表中数据的总个数及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。。此方案相位调节比较简单，但转换所用的数据为256个8位字长的数据，即一个信号周

8、期有256个转换值，输出信号的频率难以细调，特别是移相的最小单位太大(／步)，不满足题目相位步进要求。方案二：加锁相环的基于单片机的移相电路...图1.5方波移相框图作为参考信号的A，经整形后得到方波信号a，再利用锁相技术对a作3600倍频，并将此倍频信号作为单片机中CTC的计数脉冲，以此来产生相移和测