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1、东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 摘 要 摘 要 本文设计的是低频数字相位测量仪。本设计采用的是MCU与FPGA相结合的方法 来设计的，设计将硬件系统分为数据采集处理和单片机最小系统两部分，充分发挥 单片机控制运算能力强的特点和FPGA数据采集速度快、资源丰富的特点。数据的采 集部分利用FPGA完成，可以准确地采集到两个同频正弦信号的相位差所对应的时间 差以及信号的周期，更好地提高系统的可靠性。然后根据单片机具有较强的运算、 控制能力的特点，我们使用单片机最小系统完成读取FPGA的数据，并根据所读取的 数据计算待测信号的频率及两路同频信号之间的相位差。同时通过功能键的切换， 由显示模块显示
2、待测信号的频率和相位差。 关键字：数据采集; 单片机; 频率; 相位差; 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） ABSTRACT ABSTRACT This paper is designed to phase low-frequency digital measuring instrument. this design which uses the combination of The MCU and FPGA will be divided the hardware into two parts of data acquisition processing and MCU minimum
3、system ,it give full use to the features of MCU-controlled computing for power , the FPGA data acquisition for high speed and resource-rich . We use the FPGA to complete collection of the data, so we can accurately collect the phrase difference between the two-phase sinusoidal signal, corresponding
4、to the time difference and the cycle of signal, so as to greatly improve the reliability of the system. Then according to characteristics of the shrapnel-strong operation and the ability to control, we use the minimum system of MCU to complete the reading of data FPGA, according to the data read cal
5、culate the frequency of signals under test and the phase difference between the two-way same frequency signals. At the same time, through the switching of function keys, the frequency and phase of signals under test will be showed by module Keyword：Data; Acquisition; SCM; Frequency; phase东华理工大学长江学院毕
6、业设计（论文） 目 录 目 录 1 绪论 .1 1.1 相位测量原理 .2 1.2 输入与采集 .2 1.3 频率的测量 .2 1.4 相位差对应的时间差的测量 .3 2 设计要求与设计方案 .4 2.1 设计要求 .4 2.2 设计方案 .42.2.1 设计思路 .42.2.2 各模块的作用 .42.2.3 设计方案 .4 3 硬件电路设计 .6 3.1 整形电路 .6 3.1.1 输入电路的设计 .6 3.1.2 LM339 比较器 .7 3.2 数据采集电路的设计 .9 3.2.1 采集电路描述 .9 3.2.2 FPGA芯片 .11 3.2.3 FPGA数据采集分析 .11 3.2.4
7、 FPGA工作时序 .13 3.3 MCU运算控制电路的设计 .13 3.3.1 单片机AT89C51 .14 3.3.2 控制电路的设计 .17 3.4 数据显示电路 .18 3.4.1 LED显示器 .18 3.4.2 74LS164 芯片 .19 3.4.3 显示电路设计 .20 3.5 直流电源电路 .21 3.5.1 直流电源的基本原理 .21 3.5.2 各部分电路的设计 .21 3.5.3 直流稳压电源的整体电路 .24 4 整机电路 .25 结论 .27 致谢 .28 参考文献 .29东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 目 录 1 绪 论 随着科学技术的突飞猛进的发展，电子技
8、术广泛的应用于工业、农业、交通运 输、航空航天、国防建设、科研、生产等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术 又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用 和地位。低频数字式相位测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具，比如在 电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号相同，这就要求精确的测量两工 频信号之间的相位差。还有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特 性中具有重要意义。近年来，随着科学技术的迅速发展，很多测量仪器逐渐向“智 能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的使用比较简单，功能越来越多。 而随着相位测量技术广泛应用，对相位测量的要求也逐
9、步向高精度、高智能化方向 发展。在低频范围内，相位测量在电力、机械等部门有着尤其重要的意义，对于低 频相位的测量，用传统的模拟指针式仪表显然不能够满足所需的精度要求，随着电 子技术以及微机技术的发展，数字式仪表因其高精度的测量分辨率以及高度的智能 化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 绪 论 2 1.1 相位测量原理 在电子测量技术中，测频、测相是最基本的测量之一。正弦信号经过不同的时 间或不同的网络后可以有不同的相位。通常所谓相位测量 1 是指对两个同频率信号 之间相位差的测量。最常见的是对网络输入与输出信号的相位差，即网络相移的测 量。能提供固定或可变
10、相移量的无耗二端口网络称为固定或可变移相器 2 。通常把 经过精确定度的移相器作为相位测量的标准。原始相移标准是精密的同轴式或波导 式空气线，较低频率的是精密人工延迟线、精密比例电感分压器和旋转变压器等。 相位测量有五种方法：相位比较法、相位检波法、过零时间法、PLL锁相环测相法 3 和 变频测相法。相位测量仪是电子领域的常用仪器，当前测频、测相主要是运用等精 度测频、PLL锁相环测相的方法。研究发现，等精度测频法 4 具有在整个测频范围 内保持恒定的高精度的特点，但是该原理不能用于测量相位。PLL锁相环测相可以 实现等精度测相，但电路调试较复杂。因此，选择直接测相法作为低频测相仪的测 试方法。 1.2 输入与采集设两路正弦波信号分别为u 1 =U 1 sin（ 1 t+ 1 ）u 2 =U 1 sin（ 2 t+ 2 ） 5 ，二者 的相位差为
