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1、基于FPGA控制的低频数字式相位测量仪研究胡云朋（电子信息工程学院微电子及固体电子专业113114310）摘要：提出了一种基于Verilog开发的低频数字相位测量仪设计。系统以FPGA为核心，构成完备的测量系统，可以对20Hz－20KHz的频率范围的信号进行频率、相位等参数的精确测量。硬件结构简单，程序简单可读性强，与传统电路相比，具有处理速度快、稳定性高、性价比高的特点。关键字：相位测量仪、FPGA、Verilog语言目录第一章研究背景3第二章方案设计与论证3一、设计指标要求3二、设计方案论证4第三章系统硬件设计6硬件电路的设计：6第四章软件系统设计7一、FPG
2、A完成的任务7二、FPGA芯片内部电路框图7三、FPGA的Verilog程序及仿真结果7第五章结束语11参考文献：11第一章研究背景随着科学技术的突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设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。相位是交流信号的重要参数。相位差的测量是电子和电力测量中经常遇到的问题,测量两路同频信号的相位差在工程上有着重要的意义。其测量方法可分为模拟和数字方法两种:传统依靠模拟器件的方法,如二极管鉴相法、脉冲计数法等,测量系统复杂、需专用
3、器件、硬件成本高、而且精度不高。随着集成电路的发展,利用大规模集成电路来完成各种高速、高精度电子仪器的设计,已经成为一种行之有效的方法。采用这种技术制成的电子仪器电路结构简单、性能可靠、测量精确且易于调试，而且精度明显高于一般的模拟式测量。在工业和民用场合,为了对各种低频信号进行测量分析,常常引入相位测量仪。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，例如在电力系统中,当电网合闸时,要求两电网电信号的相位相同,如果两路信号的相位不同,会出现很大的电网冲激电流,对供电系统产生巨大的破坏力,因此,精确测量出两个信号的相位差是非常重要的。同频信号间相位差的
4、测量在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、电子、地球物理勘探等许多领域都有着广泛的应用。尤其在工业领域中,相位不仅是衡量安全的重要依据,还可以为节约能源提供参考。因此,研究和设计低频数字式相位测量仪,将会为国民经济的发展起到推动和促进作用。第二章方案设计与论证一、设计指标要求设计一个如图1所示的低频数字式相位测量仪，设计基本要求如下:（1）频率范围:20Hz～20kHz。（2）相位测量绝对误差≤2°。（5）具有频率测量功能。（6）相位差数字显示:相位读数为00～359.90分辨率为0.1°。图１ 整体示意图二、设计方案论证 从功能角度来看，相位测量仪要完成
5、信号频率的测量和相位差的测量。相位测量仪有两路输入信号，也是被测信号，它们是两个同频率的正弦信号，频率范围为20Hz～20kHz（正好是音频范围），根据我们学过的电路理论知识，我们知道正弦电信号为，其中，ω，为正弦量的三要素，且只有两个同频率的（正弦）信号才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正弦信号为 则相位差，由此可看出，相位差在数值上等于初相位之差，θ是一个角度。不妨令，式中是相位差θ对应的时间差，且令T为信号周期，则有比例关系，可以推导得到此式说明，相位差θ与一一对应，可以通过测量时间差及信号周期T，计算而得到相位差θ，这就是相位差的基本测量原理。由相
6、位差的基本测量原理可知，相位差的测量本质上是时间差及信号周期T的测量，也就是时间的测量，而时间的测量不可避免地要用到电子计数器。时间的测量有多种方法，而设计题目关于相位测量仪的技术指标要求会影响到我们对方案的选择。由一般常识可知，MCU应用系统一般能较好地实现各种不同的测量及控制功能，但有时达不到设计要求的技术指标。而因FPGA具有工作速度快、编程方便等特点，往往能满足一些设计要求比较高的技术指标，因此，我们提出，在进行电子系统设计时，用FPGA完成系统指标与功能。１.设计方案（1）设计总体框图图2设计总体框图（2）测量工作原理两路待测信号经整形后变成了矩形波信
7、号I、V，且可以认为I和V是同频率、不同相位的矩形波。①频率的测量用测周期的方法获得信号频率。由图3可知，对I进行2分频后的信号波形中，高电平宽度正好对应I的周期，我们将此高电平信号作为FPGA定时器的启动/停止信号，便可测得周期T，再由公式f=1/T，计算得到频率f。图3分频器的输入输出波形图②相位差的测量利用鉴相器（异或门），在鉴相器的输出波形IV中，正脉冲宽度就是要测量的I和V相位差所对应的时间差。如图4所示。图4鉴相器的输入输出波形图信号是I信号的二倍频（I与V同频），由此可见，对于同频不同相的两个信号，经过异或门后可得到二倍频的信号。因此从这个意义上讲，
8、异或门可实
