論文-低頻數(shù)字式相位測量儀-vhd-l-fpga

低頻數(shù)字式相位測量儀vhdlfpga.txt11生命是盛開的花朵，它綻放得美麗，舒展，絢麗多資；生命是精美的小詩，清新流暢，意蘊(yùn)悠長；生命是優(yōu)美的樂曲，音律和諧，宛轉(zhuǎn)悠揚(yáng)；生命是流淌的江河，奔流不息，滾滾向前低頻數(shù)字式相位測量儀欄目樹形導(dǎo)航|首頁|學(xué)習(xí)中心|課設(shè)與競賽|下載中心|圖片現(xiàn)場|技術(shù)留言|關(guān)于我們|本站提供||競賽與設(shè)計(jì)首頁|關(guān)于競賽|歷屆電子競賽題目|競賽作品選編|歷屆儀器元器件范圍|單片機(jī)課程設(shè)計(jì)|您現(xiàn)在的位置：奔跑的單片機(jī)課設(shè)與競賽競賽作品選編信息正文用戶登錄 新用戶注冊低頻數(shù)字式相位測量儀 熱 【字體：小大】低頻數(shù)字式相位測量儀作者：lintel 信息來源：本站原創(chuàng) 點(diǎn)擊數(shù)：8523 更新時(shí)間：2006-4-3低頻數(shù)字式相位測量儀（C題）摘要：設(shè)計(jì)了一基于現(xiàn)場可編程門陣列（的低頻數(shù)字式相位測量儀。該測量儀包括數(shù)字式移相信號發(fā)生器和相位測量儀兩部分，分別完成移相信號的發(fā)生及其頻率、相位差的預(yù)置及數(shù)字顯示、發(fā)生信號的移相以及移相后信號相位差和頻率的測量與顯示幾個(gè)功能。其中數(shù)字式移相信號發(fā)生器可以產(chǎn)生預(yù)置頻率的正弦信號，也可產(chǎn)生預(yù)置相位差的兩路同頻正弦信號，并能顯示預(yù)置頻率或相位差值；相位測量儀能測量移相信號的頻率、相位差的測量和顯示。兩個(gè)部分均采用基于的數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使得該系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng),可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列（數(shù)字式相位測量儀trct：Thepaperdealsthdesigningofalowfrequencyphaseasurentsystembasedontechnology.Thisphaseasurentsystemincludestles---asignalgeneratorandaphaseasurentsubsysteItssignalgeneratorlecangenerateasinvethpreconcertedfrequencyandtvesthpreconcertedphasedifference.Itcancontinuouslychangesignalphasesthroughphaseshifting.itsphaseasurentsubsystemhasfunctionsofasuringsignalphaseandphasedifferenceoftsignals.lofitsthreeulesadoptdigitaltechnologybaseonThissystemischaracteristicofitsstrongantijangperfornceandfinestability.ywords：gital/Phaseasurentsystem目 錄0引言 31系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè) 計(jì) 要求 31.2 方 案 比較 41.2.1 相 位 測 量 儀 方案 41.2.2 移 相 網(wǎng) 絡(luò) 方案 41.2.3 正 弦 波 信 號 發(fā) 生 器 方案 51.2.4 頻 率 測 量 方案 51.2.5 幅 度 控 制 方案 61.2.6 濾 波 選 擇 方案 61.2.7 顯 示 界 面 方案 71.3 方 案 論證 71.3.1 總 體 思路 71.3.2 設(shè) 計(jì) 方案 72單元電路設(shè)計(jì)2.1相位測量儀………………72.1.1 原 理 方 框圖 72.1.2相位測量原理…………82.1.4 電 路 圖 分析………………2.2 數(shù) 字 式 移 相 信 號 發(fā) 生器 102.2.1 數(shù) 字 移 相 原理 102.2.2 正 弦 波 信 號 發(fā)生 103軟件設(shè)計(jì)3.1用編寫程序…………123.2 程 序 流程 123.2.1 等 精 度 頻 率 測 量 的 實(shí)現(xiàn) 123.3 程 序 清 單 仿真 134系統(tǒng)測試……………………145結(jié)論…………………………17參考文獻(xiàn)……………………17附錄…………………………170.引言同頻率正弦信號間的相位差測量在電工技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化、智能控制及通訊、電子等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如電工領(lǐng)域中的電機(jī)功角測試，介質(zhì)材料損耗角的確定等。因此，相位差測量技術(shù)有著廣泛的實(shí)用價(jià)值。相位的數(shù)字測量方法基本分為硬件電路測量與D采樣后利用軟件計(jì)算兩種。硬件法測量由于電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、易受外界干擾影響以及準(zhǔn)確度較差的缺點(diǎn)，限制了進(jìn)一步發(fā)揮它的作用。近年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件及其外圍設(shè)備的日益發(fā)展，以數(shù)字信號處理為核心的軟件法測量技術(shù)在相位差的測量中得到了越來越多的關(guān)注，并取得了較快發(fā)展。是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷S著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)步，的時(shí)鐘延遲可達(dá)到ns級，結(jié)合其并行工作方式，在超高速、實(shí)時(shí)測控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景；并且具有高集成度、高可靠性，幾乎可將整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)下載于同一芯片中，實(shí)現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)，從而大大縮小其體積。本設(shè)計(jì)基于設(shè)計(jì)的低頻數(shù)字式相位測量系統(tǒng)，具有很好的發(fā)展前景和開發(fā)價(jià)值。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)要求一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)低頻相位測量系統(tǒng)，包括相位測量儀、數(shù)字式移相信號發(fā)生器和移相網(wǎng)絡(luò)三部分，示意圖如下：二、要求1、基本要求（1）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)相位測量儀（參見圖1）a．頻率范圍：20～20k。b．相位測量儀的輸入阻抗≥100kΩ。c．允許兩路輸入正弦信號峰-峰值可分別在15V范圍內(nèi)變化。d．相位測量絕對誤差≤2°。e．具有頻率測量及數(shù)字顯示功能。f．相位差數(shù)字顯示：相位讀數(shù)為0°~359.9°，分辨力為0.1°。（2）參考圖2制作一個(gè)移相網(wǎng)絡(luò)a．輸入信號頻率：100、1k、10。b．連續(xù)相移范圍：－45°～＋45°。c．輸出的正弦信號峰-峰值可分別在0.35V范圍內(nèi)變化。2．發(fā)揮部分（1）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)數(shù)字式移相信號發(fā)生器（圖3用以產(chǎn)生相位測量儀所需的輸入正弦信號，要求：a．頻率范圍：20～20k，頻率步進(jìn)為20，輸出頻率可預(yù)置。b．B輸出的正弦信號峰-峰值可分別在0.35V范圍內(nèi)變化。c．相位差范圍為0～359°，相位差步進(jìn)為1°，相位差值可預(yù)置。d．?dāng)?shù)字顯示預(yù)置的頻率、相位差值。（2保持相位測量儀測量誤差和頻率范圍不變的條件下展相位測量儀輸入正弦電壓峰-峰值至0.35V范圍。（3數(shù)字移相信號發(fā)生器校驗(yàn)相位測量儀選幾個(gè)頻點(diǎn)位差值和不同幅度進(jìn)行校驗(yàn)。（4）其它。1.2方案比較1.2.1相位測量方案該方案的關(guān)鍵問題是相位測量方法的選擇。方案一：采用直讀法，可直接讀出被測相位差的數(shù)值。用單片機(jī)作為核心控制部件,如圖1.2.1示由于受限于時(shí)鐘頻率和若干指令運(yùn)算的限制，測相速度較慢，無法滿足高速、高精度的測相要求。單片機(jī)89C52相位顯示A輸入B輸入測量控制儀相位顯示A輸入B輸入圖1.2.1以單片機(jī)為核心控制部件測量相位 圖1.2.2 以核心控制部件測量相位方案二：采用直讀法，用作為核心控制部件,其優(yōu)點(diǎn)是方便、快速、可隨時(shí)顯示。其原理框圖如圖1.2.2示。并且結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列FieldProgrableteray）具有集成度高、高速和高可靠性的特點(diǎn)，使頻率的測頻范圍可達(dá)到0.1～，測頻全域相對誤差恒為1/1000000。為滿足基本部分和發(fā)揮部分的要求，采用第二種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.2.2移相網(wǎng)絡(luò)方案方案一：直接對模擬信號進(jìn)行移相，如阻容移相，變壓器移相等。采用這種方式設(shè)計(jì)的移相器有許多不足之處，如：輸出波形受輸入波形的影響，移相操作不方便，移相角度隨所接負(fù)載和時(shí)間等因素的影響而產(chǎn)生漂移等。采用阻容移相網(wǎng)絡(luò)的基本原理簡述如下：由電路的原理可知，不同頻率的正弦波電壓通過電路時(shí)，輸出端的電壓幅度和相位，都與輸入不同。圖1.2.3中畫出了兩種簡單的移相電路。圖1.2.3 (a)相位超前的相移網(wǎng)絡(luò) （b）相位滯后的相移網(wǎng)絡(luò)圖1.2.3中的模和相角分別為：（a） （b） 式（1-2-1）由式（1-2-1）中的（a）和（b）式可知，兩種相移網(wǎng)絡(luò)都是隨著頻率的改變，單節(jié)電路中所產(chǎn)生的相移在0o～90o之間變化。因此，采用一個(gè)相位超前的相移網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)相位滯后的相移網(wǎng)絡(luò)，可滿足連續(xù)相移范圍：－45o～＋45o的要求。但電路復(fù)雜，難于調(diào)試。方案二：采用數(shù)字移相技術(shù)，其核心是：先將模擬信號或移相角數(shù)字化，經(jīng)移相后再還原成模擬信號。該方案精度高，且易于傳送。原理框圖如圖1.2.4示。模擬信號或移相角移相、模擬信號圖1.2.4 采用數(shù)字移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號移相權(quán)衡以上兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用第二種方案。1.2.3正弦波信號發(fā)生器方案方案一：采用模擬分立元件或單片機(jī)壓控函數(shù)發(fā)生器完成設(shè)計(jì)。通過調(diào)整外部元件可以改變輸出頻率，產(chǎn)生正弦波。但是采用模擬器件分散性大，產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定性較差、精度低、抗干擾能力差、成本也比較高。方案二：采用直接數(shù)字頻率合成，用單片機(jī)作為核心控制部件，能達(dá)到較高的要求，實(shí)現(xiàn)各種波形輸出，但受限于運(yùn)算位數(shù)及運(yùn)算速度，產(chǎn)生的波形往往需通過濾波器才能達(dá)到滿意效果，并且頻率可調(diào)范圍小，很難得到較高頻率。方案三：采用直接數(shù)字頻率合成，用器件作為核心控制部件，精度高穩(wěn)定性好，得到波形平滑，特別是由于的高速度，能實(shí)現(xiàn)較高頻率的波形。且控制上更方便，可得到較寬頻率范圍的波形輸出，步進(jìn)小。顯然第三種方案具有更大的優(yōu)越性、靈活性，所以采用第三種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.2.4頻率測量方案方案一：采用測周期法。需要有標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率fs，在待測信號的一個(gè)周期Tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率的周期數(shù)，則被測信號的頻率為：fxs（如圖1.2.5示這種方法的計(jì)數(shù)值會產(chǎn)生±1個(gè)字誤差，并且測試精度與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值有關(guān)。為了保證測試精度，測周期法僅適用于低頻信號的測量。方案二用測頻法。測頻法就是在確定的閘門時(shí)間內(nèi)錄被測信號的變化周期數(shù)（或脈沖個(gè)數(shù)）（如圖1.2.6則被測信號的頻率為：fx這種方法的計(jì)數(shù)值會產(chǎn)生±1個(gè)字誤差且測試精度與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值有關(guān)不便于高頻信號的測量。圖1.2.5測周期法測量頻率原理圖 圖1.2.6測頻法測量頻率原理圖方案三：采用等精度頻率測量法，測量精度保持恒定，不隨所測信號的變化而變化。在快速測量的要求下，要保證較高精度的測頻，必須采用較高的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號。單片機(jī)受本身時(shí)鐘頻率和若干指令運(yùn)算的限制，測頻速度較慢，無法滿足高速、高精度的測頻要求；而采用高集成度、高速的現(xiàn)場可編程門陣列為實(shí)現(xiàn)高速，高精度的測頻提供了保證。因此選用第三種方案。1.2.5幅度控制方案方案一：采用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)（如圖1.2.7壓電阻選用數(shù)字電位器，調(diào)整數(shù)字電位器的滑動(dòng)端，即可實(shí)現(xiàn)幅度控制，很難實(shí)現(xiàn)幅度的小步進(jìn)調(diào)節(jié)，且精度較低。圖1.2.7數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)幅度控制 圖1.2.8 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)幅度控制方案二：采用/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)（如圖1.2.8。第一級/A的輸出作為第二級/A的參考電壓，以此來控制信號發(fā)生器的輸出電壓。A轉(zhuǎn)換器的電流建立時(shí)間將直接影響到輸出的最高頻率。因此，選用高精度的A轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)高精度幅度控制，且步進(jìn)小。經(jīng)比較，選用第二種方案。1.2.6濾波選擇方案為使產(chǎn)生的信號平滑，采用濾波電路對波形的進(jìn)行后級處理。由于信號的頻率范圍：20～，所以采用低通濾波器。方案一用最簡單的無源低通濾波器。電路圖如圖1.2.9示特點(diǎn)是電壓放大倍數(shù)低，帶負(fù)載能力差，但電路簡單。圖1.2.9無源低通濾波器 圖1.2.10一階低通有源濾波器方案二：采用一階低通有源濾波器。電路圖如圖1.2.10示。由于引入了集成運(yùn)放，濾波器的通帶電壓放大倍數(shù)和帶負(fù)載能力得到了提高。但電路稍復(fù)雜。綜合考慮，選用方案一。1.2.7顯示界面方案這是決定系統(tǒng)使用是否方便的關(guān)鍵。方案一：采用點(diǎn)陣式液晶顯示器（示。雖然其功能強(qiáng)大，可顯示各種字體的數(shù)字、漢字，圖像，還可以自定義顯示內(nèi)容，但是編程復(fù)雜，需要完成大量的顯示工作。方案二：采用發(fā)光二極管（示。雖只能顯示非常有限的符號和數(shù)碼字，但可完全滿足本設(shè)計(jì)數(shù)字顯示的要求，且編程簡單。分析以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，第二種方案更為方便、實(shí)用。1.3方案論證1.3.1總體思路為滿足相位測量儀與數(shù)字式移位信號發(fā)生器互相獨(dú)立共用控制與顯示電路的要求，采用兩塊xinlinx公司生產(chǎn)的Spartan2E系列xc2s100e-6pq208芯片分別作為相位測量儀與數(shù)字式移位信號發(fā)生器的主控部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。相位測量儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是：如何完成相位及頻率的測量。數(shù)字式移位信號發(fā)生器設(shè)計(jì)的核心問題是：如何產(chǎn)生正弦波并進(jìn)行數(shù)字移相。1.3.2設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)方框圖如下：數(shù)字式移位信號發(fā)生器頻率/幅度/相位差顯示信號發(fā)生器測量控制儀頻率顯示相位差顯示AB相位測量儀圖1.3.1 系統(tǒng)方框圖數(shù)字式移位信號發(fā)生器可產(chǎn)生兩路正弦波A和并測量兩信號的頻率、幅度、相位差，還可通過按鍵在頻率、幅度、相位差顯示間自由切換；相位測量儀同時(shí)測量、顯示數(shù)/r