数控陷波器1.doc

数控陷波器 摘要： 本系统由幅值检测电路、程控放大器、DDS发生器、频率测量和相位检测电路组成。输入信号在1kHz～3kHz频率范围内，为了实现高速、高精度测量，利用FPGA测量相位和频率，幅值检测通过测量有效值的方法实现，可控增益放大器部分采用DAC904输出控制AD9832的基准电压，实现了输出增益的动态调整。采用DDS技术产生输出频率和相位精确可调的正弦波，以FPGA和ARM作为核心，实现跟踪检测输入信号频率和相位以及幅度的目的。 关键字： DDS、跟踪、频率相位测量、FPGA、ARM 系统方案设计 方案论证与比较 频率测量 方案一：计数测频。由晶振分频产生固定宽度的标准门控信号，被测信号经过整形为方波后输入到主门另一端，在闸门时间内对未知信号进行计数，最终得出信号频率。通常在多个信号周期内实现测量，适用于高频场合。 方案二：计时测频。被测信号经放大整形后，形成控制闸门脉冲信号，其宽度等于被测信号的周期Tx。晶振输出频率fc 作为标准信号，加于主门输入端，在闸门时间Tx内，标准频率信号经闸门形成计数脉冲，送至计数器计数。在一个信号周期内完成测量，适用于低频测量。 考虑到被测信号频率在1kHz～3kHz之间，且FPGA的时钟为50MHz，同时为了提高测量速度，选择方案二。 相位测量 方案一：基于离散傅里叶级数（DFS）通过A/D采样后得到，按离散傅里叶变换得到离散频谱 （1） 求得各点的幅值|F(k)|。假设要测定相位的波形是被测信号的主要成分，可以认为此信号的幅值应该是最大的，故在F(k)中寻找幅值最大的点，设此点为第m点。由离散傅里叶反变换式 （2） 可以知道，被测信号是一系列正弦信号经F(k)的幅度、相位调制后叠加形成的。如果进一步展开被测频率分量，设 则 （3） 其中，θ为虚数F(m)的幅角。这表示F(m)所对应的正弦基准分量是一个以第一个采样点时刻为0相位起始点的余弦函数，θ就是被测频率分量相对于此基准分量的相移（如果测量一个以第一个采样点时刻为0相位起始点的正弦函数，就有一个附加的90°的相移，但如论如何，这里我们只关心相位差）。假设两路信号的对应于上式θ的位置的参数分别计为θ1和θ2。单片机计算其差值Δθ=|θ1-θ2|，此值即为两路信号的相位差。 傅里叶变换能区分各种频率分量，因此它对谐波、噪声造成的波形畸变、频率漂移及零点漂移等都有较好的抑制作用。 方案二：异或门鉴相计时。参考信号和输入信号整形为方波后送入FPGA进行异或，得到宽度为两信号相位差的脉冲，记为TP，设信号周期为T，则相位差。 方案三：相位—电压转换。AD8302是AD公司的用于RF/IF幅度和相位测量的单片集成电路，主要由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成，能同时测量从低频到2.7GHz频率范围内的两输入信号之间的幅度比和相位差π角度内的正弦函数值分成N份，将各点的幅值存于ROM中，再用一个相位累加器累加相位值ωT，得到当前的相位值，通过查找ROM得到当前的幅值，需要外接D/A。 方案二：采用DDS芯片AD9832。AD9832为AD公司生产的一款完整的DDS芯片,最高时钟可达25MHz。其内部电路主要由数控振荡器(NCO)和相位调制器、正弦查询表，以及一个10 位的数模转换器(DAC)组成。其中数控振荡器和相位调制器部分包含2个32位的频率寄存器，1个32位的相位累加器和4个12位的相位寄存器。通过串行的方式写入控制字，易于实现频率和相位的高精度控制。 综合考虑控制精度和实现难度，选择方案二。 幅度控制 方案一：程控放大芯片。程控放大器有PGA系列和AD603等，PGA系列只有离散的几种放大倍数，AD603主要用于高频，优势无法体现，且需要D/A控制。 方案二：基准电压控制。考虑到AD9832有基准电压输入端，且其输出电压正比于基准电压，由公式得出。在和已知的情况下，直接控制其基准电压可实现输出幅度的连续控制，简单可靠。 方案二优势明显，选择方案二。 系统框图 系统框图如图1所示。 图1 系统框图 二、理论分析与计算 频率测量 设计的同步测周期计数器如图2所示。图中计数器的计数时钟为clk0,频率为f0；被测信号为clkx，频率为fx。采用一个D触发器对输入的被测信号clkx进行 同步，同步输出为s0，在clk0的上升沿到来之前，如果c