基于fpga和msp430单相数字移相系统设计和实现

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1、基于FPGA和MSP430单相数字移相系统设计和实现【摘要】本文介绍了一种基于FPGA与MSP430技术的单相数字移相系统的设计方案。实现了直接数字式频率合成(DirectDigitalSynthesizer,DDS)两路幅值、相位、频率可调的正弦信号的产生。完成了幅值、相位的自动跟踪校准。最终实现了相位在0〜360°可调，相位差分辨率0.1°；频率在45〜350Hz可调，频率分辨率为0.1Hz；信号幅值在0〜5V可调，分辨率为0.05Vo【关键词】数字移相器直接数字式频率合成FPGAMSP430自动跟踪校准在

2、智能控制与仪表测量等领域，经常需要用到移相技术，对信号的频率、相位变化进行监测与调整。如在电力系统中，需要检测系统中检测某点的电压与电流的相位差，并自动校准，来保证系统的稳定性！传统移相技术通常直接对模拟信号进行移相，典型的方法有：阻容移相，变压器移相等。以阻容移相为例，其优点在于电路结构简单可靠，但是缺点也很明显：输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载不同等因素的影响而产生漂移等。近几年，随着单片机技术和可编程技术的发展，以及直接数字式频率合成技术（DirectDigitalSynthe

3、sizer,DDS）的日益成熟，数字移相技术得到了越来越广泛的应用。数字移相技术主要是现将信号数字化，使信号具有较好的频率、相位分辨率，然后进行移相操作之后再还原成模拟信号。本文首先利用FPGA技术，采用直接数字式频率合成的方法，产生两路幅值、频率与相位可调的正弦波信号，具体的幅值、频率与相位数据可由MSP430单片机控制。然后利用波形整形电路，鉴频器对两路信号的相位进行跟踪校准，利用交直流转换电路（AC/DC）、比较调整电路以及MSP430单片机中的A/D、D/A中对幅值进行跟踪校准。一、系统的整体结构设计本

4、系统的结构主要分为三部分：由FPGA产生DDS调频、调相的正弦信号；利用FPGA对模拟的正弦信号的相位、频率跟踪校准；由MSP430对模拟信号的幅值进行测量与校准。结构框图如图1所示：对于DDS信号的产生。首先由直接数字频率合成（DDS）技术的，依据采样定理，生成波形数据的采样值，放入ROM数据表中。然后由波形加法器与寄存器级联构成相位累加器，通过时钟脉冲触发累的加器，从而将频率控制字不断累加，每次累加时就通过查表法输出对应的数值。相位累加器产生一次溢出，就完成一次周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的一个

5、频率周期。用相位累加器输出的数据作为波形存储器的相位取样地址，把存储在波形存储器内的波形抽样值经过正弦函数表查处，从而完成相位到幅值的转换。然后将波形存储器的输出送到D/AC,通过D/AC将数字量形式的波形幅值转换成合成频率的模拟波形。对于信号相位的跟踪校准。核心思想是：先将模拟信号数字化，然后对数字信号的相位差进行测量，最后反馈至DDS信号源的相位控制字中，进行校准。具体的实现方式，先由方波整形电路将模拟的正弦信号转换为两路方波信号，然后利用鉴相器测量数字信号的相位差。因为相位差的值与数据表中数据的总个数及数

6、据地址的偏移量有关，可通过查询ROM数据表将相位差反馈至相位控制字中，实现相位的校准。对于信号的幅值的测量与校准。首先通过交直流转换电路(AC/DC)把所要测量的交流信号转换成直流的电平，再对直流电平进行测量，采用均值检波进行幅值测量，最后将测量值反馈给MSP430控制单元，来调整DDS信号源中D/A转换电路的参考电平，从而实现幅值的校准。二、FPGA上实现两路DDS信号的发生考虑到信号发生器的输出频率、相位、幅度等参数的范围及精度要求，以及对于设计成本的控制，采用FPGA技术实现DDS产生两路数字正弦波信号。

7、首先由通过接口电路接收来自MSP430单片机的频率控制字和相位控制字，然后通过对频率控制字和相位控制字进行累加计数，最后通过查寻ROM表中的数据，送至D/A转换实现正弦信号的输出。设计时为了提高频率分辨率，采用32位累加器计数，由于取点时钟采用的是系统时钟50MHz,通HDDS的累加原理，推出频率字的累计系数为86,即频率字的控制范围为50*86〜350*86,即可实现正弦信号在50〜350Hz频率范围内的输出，且精度达到0.lHzo另外为了提高相位的分辨率，内部ROM的正弦波的周期表为4096取点,因此相位控

8、制字选用12位计数。通过D/A芯片进行数模转化后，生成模拟信号，其中一路作为信号发生器的参考基准信号f0,另一路作为检测信号fl。对于输出信号的频率和相位可以通过外部控制电路改变频率控制字和相位控制字来调节。三、相位差的测量与跟踪在FPGA通过D/A转换输出两路模拟正弦波fl,f0,测量fl,f0的相位差时，首先通过方波整形电路，将正弦波转换成方波信号SO、S1,利用方波信号的上升沿作