2003低频数字式相位测量仪初稿.doc

低频数字式相位测量仪设计报告
作者:胡荣璞,刘宇航,陈燕平
摘要
本系统以msp430f449单片机和FPGA为核心,辅以必要的模拟电路,构成了一个基于具有高速处理能力的FPGA的低频数字式相位测量仪。该系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器以及移相网络组成;移相网络能够产生-45°~45°~5V可调的无失真模拟信号;相位测量仪能够测量出具有0°~359°的两路信号的相位差,°;~5V可调,相位差为0°~359°的且具有数字设置步进为1°的两路输出信号。经过实验测试,以上功能均可以准确实现。
方案设计与论证
本系统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。
相位测量仪方案设计与比较
方案一:相位-电压转换法
相位-电压转换法原理是通过将相位转换成电压来测量,主要介绍鉴相-低通滤波法来实现
鉴相-低通滤波法将待测两路信号分别经过电压比较器整形为方波信号,然后通过鉴相器,将相位转换成电压,电压的直流成分反应两路信号的相位差。然后将输出电压经过低通滤波器输出直流成分,送到A/D转换器数据采样,就可以计算两信号相位差。
此种方法由于存在滤波器,精度不高,速度也不快
方案二:计数法
根据频率测量原理,计数法的思想是将相位测量转换成脉冲测量,然后对数字脉冲进行测量得到相位差。
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。由于此方法精度高,有高速的FPGA进行高速数据采集作为后盾,并以低漂的比较器和运放作支持,在辅以具有很强控制能力的单片机。电路较为简单,易于实现,故采用方案二。
数字式移相信号发生器方案设计与比较
由于系统要求数字式移相信号源,故直接采用直接数字频率合成技术(DDS),此方法灵活性大,稳定性强。其主要思想:利用DDS技术合成信号的相位调节功能,采用两路DDS,输出相位不同的两路信号,加上外围的两路D/A转换电路和滤波电路,实现幅度可调。
移相网络方案设计
模拟移相网络根据RC移相原理设计,加以精密低偏置电压运算放大器来实现输出相位和幅度可调无失真两路信号。
系统总体设计方案与部分实现框图
系统总体设计方案
系统主要由模拟移相网络、数字式移相信号发生器和相位测量仪组成,外加信号的整形与放大,系统总框图如图2-1所示。
图2-1 系统总体实现框图
部分子系统实现框图
相位测量仪方案实现框图
此系统主要由基于FPGA相位测量模块和显示模块,如图2-2所示;
图2-2 相位测量仪实现框图
数字式移相信号发生器实现框图
此系统主要由基于FPGA的DDS模块和基于msp430f449的控制模块,如图2-3所示;
图2-3 数字式移相信号发生器实现框图
模拟移相网络实现框图
此模块实现框图如图2-4所示
图2-4 模拟移相网络实现框图
部分电路理论分析与计算
相位测量
相位测量采用单周期计数测量法,这是居于FPGA具有高达40M的时钟频率,对于低频信号计数可达到较高精度的原因,同时单周期计数测量法十分简单,易于理解和编写程序。
两路待测信号经过前级系统的整形后,将变为两路具有相差的方波信号,如图
N2
N1
信号1
信号2

首先设置变量N,其初始值为0,当信号1上升沿到来时触发FPGA中计数模块工作,按照频率为f的时钟进行计数,计数到某一时刻信号2上升沿到来将触发FPGA将此时的计数值N赋予N2,而当信号1上升沿再次到来时将此时N值赋予N1,完成信号1的一个周期,也即基准信号的一个周期。在下一个周期时就不进行计数,而是将数据N1,N2传入单片机进行处理。在周期3又继续恢复计数操作。如此周而复始的进行计数与传递数据工作。
在得到数据N1,N2后,信号频率F和两信号相位差Phase即可求得,此过程可由单片机完成。
完成相位测量。
数字式移相信号源发生器
原理分析:如图3-1所示;
图3-1 数字式移相原理图
信号产生原理与DDS完全相同,通过单片机向FPGA模块传送频率字来控制两路信号的频率,传送相位字来控制两路信号的相位;
频率输出:
其中为频率控制字;为累加器位数,=48;为采样频,=40MHz;为输出频率。
相位偏移:
其中为偏移量;为相位控制字;然后根据相位控制字实现设置相位的产生。
设To为两路信号产生的时间差,T为信号的周期,a为用户所设置的相位差,则

由于在系统