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1、更多相关参考论文设计文档资源请访问http:/ 要：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：现场可编程门阵列（FPGA），数字式移相信号发生器，相
2、位测量仪Abstrct：The paper deals with designing of a low frequency phase measurement system based on FPGA technology. This phase measurement system includes two modules-a signal generator and a phase measurement subsystem. Its signal generator module can generate a sin wave with preconcerted frequency an
3、d two waves with preconcerted phase difference. It can continuously change signal phases through phase shifting. And its phase measurement subsystem has functions of measuring signal phase and phase difference of two signals. All of its three modules adopt digital technology base on FPGA. This syste
4、m is characteristic of its strong antijamming performance and fine stability.Key words：FPGA，Digital phase signal generator，Phase measurement system（注意：以上内容在实际论文中为一页）目 录1. 系统设计x1.1 设计要求x1.1.1 设计任务x1.2.2 技术要求x1.2 方案比较x1.2.1 相位测量方案x1.2.2 移相网络方案x1.2.3正弦波信号发生器方案x1.2.4 频率测量方案x1.2.5 幅度控制方案x1.2.6 滤波选择方案x1.2
5、.7显示界面方案x1.3 方案论证x1.3.1 总体思路x1.3.2 设计方案x2. 单元电路设计x2.1 低频率数字式相位测量仪x2.1.1 相位测量原理x2.1.2 原理方框图x2.1.3 原理图的设计与制作x2.2数字式移相信号发生器x2.2.1 数字移相原理x2.2.2正弦波信号的产生x3. 软件设计x3.1 开发软件及编程语言简介x3.2 软件实现方法x3.2.1 等精度频率测量的实现x3.2.2正弦波波形数据产生x3.2.3 程序流程图x3.3 程序清单及仿真x4. 系统测试x4.1 测试仪器与设备x4.2 指标测试x4.2.1幅值、频率、波形测量x4.2.2相位差测量x4.3 误
6、差分析x4.3.1 相位误差x4.3.2 频率误差x4.3.3 幅值量化误差 x5 结论 x参考文献 x附 录1、元器件明细表x附录2：程序清单 x（注意：目录中的页码根据实际论文的页码编写，此处全部用x表示。）1. 系统设计1.1 设计要求（注：设计要求与第1章1.3.5节内容相同，本书为节省篇幅，略）1.2 方案比较1.2.1 相位测量方案相位测量方案的关键问题是相位测量方法的选择。方案一：基于数字鉴相技术实现的方案 CD4046鉴相电路输出经AD0809采样后的数据送到FPGA，经过处理后，输出到LED显示相位，原理方框图如图1.2.1所示。锁相环（CD4046）A/D采样（AD0809
7、）数据处理（FPGA）显示相位值输入信号图1.2.1 数字鉴相技术实现相位测量原理方框图方案二：利用高精度比较器实现的方案 将移相信号与基准信号分别送到两个过零比较器，使双极性的正弦波转换成单极性的方波。若两路正弦波存在相位差，那么两路方波也必定存在相同的相位差值。将相位差值对应的时间间隔作为FPGA对50MHz的脉冲数的计数时间，从而得到正弦波的相位差为：其中，n为方波相位差对应时间间隔内的脉冲数，N为方波一个周期内的脉冲数。上述两种方案从对硬件的要求而言，方案一在FPGA芯片基础上需要一片CD4046和一片AD0809，而方案二则在FPGA芯片基础上只需要一片LM393；从测量性能方面来说
8、，在低频率方面，方案一的相位差总共只能有256个量级，而采用通过FPGA记脉冲数的方法测量的精度将远远高出此量级。因此，选用方案二，采用比较器LM393和FPGA来实现测相。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，阻容移相网络在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与输入不同。两种简单的移相电路如图1.2.2所示。(a )相位超前的相移网络
9、（b）相位滞后的相移网络 图1.2.2 阻容移相网络 在图1.2.2中，图(a )的模和相角分别为： （1.2.1）图(b)的模和相角分别为： （1.2.2）显然，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0 o90 o之间变化。为满足基本部分连续相移范围：45o 45o的要求，需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。有源移相原理图如图1.2.3所示。通过调整电路的电阻、电容等参数，电路可以实现对特定频率信号的移相，但在被移相信号的频率发生变化时，模拟移相电路的相应参数势必要随之调整。对于题目要求给出的100Hz、1KHz、10KHz的三个频率，可以用FPGA通
10、过四选一模拟开关CD4052来选择对应的三路模拟移相电路，可以满足题目中的基本要求。但要在各个频率范围内实现高精度的移相，硬件电路将会很复杂。图1.2.3 移相网络方案二：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。高速A/D转换器TLC5510将输入的模拟信号转换成数字信号，并将采集的数字信号通过FPGA进行移相处理后，送至高速D/A转换器AD7524，从而把经过处理的数字信号转化成量化的电流，再通过TL082高速运放，使电流信号转化为电压信号，从而达到对信号的移相处理。其中，对信号的处理上采用了DDFS技术，在一个正弦周期内采用360个采样点，即360度/360=1度/个，通过依次更改采样点输出顺序就可以方便地控制相位。该方案精度高，且易于传送。原理框图如图1.2.4所示。权衡以上两方案的优缺点，本设计选用第二种方案。高速A/D采样（TLC5510）数据处理（FPGA）高速D/A转换（AD7524）移相信号输入信号. 图1.2.4 采用数字移相技术实现信号移相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控制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
