课程设计（论文）-低频数字式相位差测量仪

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1、低频数字式相位测量仪指导老师：1．系统性能指标1.1设计要求设计一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、发生信号的移相以及移相后信号相位差和频率的测量与显示几个功能。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；相位测量仪能测量移相信号的频率、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

2、具有抗干扰能力强,可靠性好等优点。1.1.1、性能指标：（1）相位测量仪a．频率范围：20Hz～20kHz。b．相位测量仪输入阻抗≥100k。c．两路输入正弦信号峰-峰值在1V～5V范围。d．相位测量绝对误差≤2°。e．具有频率测量及数字显示功能。f．相位差数字显示：相位读数为0o~359.9o，分辨力为0.1°。49（2）移相网络a．输入信号频率：100Hz、1kHz、10kHz。b．连续相移范围：－45°～＋45°。c．A＇、B＇输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。（1）数字式移相信号

3、发生器a．频率范围：20Hz～20kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。b．A、B输出正弦信号峰-峰值在0.3V～5V范围。c．相位差范围为0～359°，相位差步进为1°，相位差值可预置。d．数字显示预置的频率、相位差值。（2）在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输入正弦电压峰-峰值至0.3V～5V范围。（3）用数字移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位差值和不同幅度进行校验。图如下：492.设计思路本系统是由两部分组成：第一部分：测量部分基于单片机系统控AT89S5

4、2制下通过FPGA测量自制模拟移项网络产生的两路移项信号经波形整形后的的信号，送回单片机计算测量数据通过液晶显示测量结果。第二部分：数字移相信号发生器基于AT89S52单片机系统控制下由FPGA输出数字移项信号序列，经DA后输出移项信号。该模拟电路主要采用高、低通电路的临界截止点来产生极值相位的偏移。当高、低通电路的截止频率等于输入信号频率时，根据其幅频特性，信号波形所产生的相位分别为45°和-45°，恰好满足要求的连续相移范围-45°~45°的调节。由于高、低通电路在截止点时会产生幅度的衰减，故电路在后级加

5、了放大电路，且采用了电压串联负反馈的方式提高了输入阻抗并降低了输出阻抗，电路最后还设计有调幅装置，能够很好地满足A、B输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3V—5V范围内变化。综上所述，该移相网络能够满足所有要求，且电路设计简单、易行，故我们直接采用了这种方式来产生模拟的相移输出3．系统结构图3.1系统总体方案该相位测量系统主要是采用由PIC单片机做为主控制器下,由EP1K30FPGA系统完成对两路信号相位差和频率的测量后,将数据传送至单片机,经数据处理后在液晶显示屏上显示输出.3.2系统基本框图49主控MCU

6、DATA整形电路路有冻死骨路路模拟移相AB网络FPGA测频测相液晶显示模块键盘模块图1测相测频系统设计框图键盘模块MCUFPGA数字移相信号序列发生器输出显示两路DA输出图2数字移相信号发生器框图4.各模块方案论证与比较1主控MCU的选择方案一：采用PIC单片机做为控制核心，PIC单片机具有精简指令系统，指令执行效率高，抗干能力强，性能稳定等特点，但是PIC单片机不好在线调试，而且运用不熟。49方案二：采用凌阳16位单片机SPCE061A，该单片机学习方便，有现成的程序学习调试，具有中断源丰富，指令周期可以调

7、，最高频率可达49.192MHz，语言人性化，而且C语言和汇编语言容易混编，此外还有优质的语言处理、AD、DA等功能，操作方便，在线调试简单，但考虑到其性价比较低，而且其好多功能用不上，资源浪费。方案三：采用单片机和FPGA作为低频数字相位测量仪的核心部分。用AT89S52进行数据控制、处理，送到显示器显示，硬件结构简单，软件采用汇编语言实现，程序简单可读写性强，效率高。与传统的电路相比，具有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。进行数据处理相当容易，且精度很高，因此系统采用此方案。2模拟移相网络方案一：采用

8、C串联、RL串联、RC串联，LC串联电路在非谐振状态状态下均可作为模拟移相网络，但以上电路在调试是幅度难以控制，方案二：采用两级运放加RC电路构成模拟移相网络，可实现-180度至180度连续相移，调试方便。3波形整形电路方案一：选用AT89C2051自带的一个模拟比较器。但是添加FPGA与单片机的通信及控制端，影响到了FPGA工作的时序。系统工作变得很复杂。方案二：采用LF353及LM311两块集成