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低频数字式相位测量仪 所在院系：电控学院 作 者：朱俊兰 方 威 夏俊伟 2011-8-19低频数字式相位测量仪 摘 要 本设计用FPGA及MSP430F247单片机实现了低频数字相位测量仪系统的设计。该系统由相位测量装置和数字式移相信号发生器两个模块构成。数字式移相信号发生器用直接频率合成原理，由FPGA控制D/A产生频率范围为20Hz～20KHz的正弦波，其频率精准步进10Hz，相位步进1°；再通过程控增益放大器VCA810实现峰峰值可调。通过相位到脉宽的变换对两路不同相位的正弦波进行测量，其分辨率精确在1°以内。显示模块采用液晶屏12864和触摸板，实现了友好的人机交互平台，可以方便、快捷的实现频率、相位差和峰峰值等的预置和测量结果的显示功能。 关键词：相位测量；频率测量；数字移相；FPGA 1 方案设计与论证 1.1 相位测量方案 方案一 ：矢量法。任何一个正弦函数都可以用矢量来表示，如两个正弦信号幅度相等、 频率相同，运算器运用减法器则合成矢量的模。这种方法用于测量小角度，灵敏度较好，可行度也较好。而在靠近180°附近灵敏度降低，读数困难也不准确。由于输出是一余弦或正弦函数，因此这种方法适用的频带范围是较宽的。 方案二 ：倍乘法。任何一个周期函数都可以用傅氏级数表示，在这里运算器是一个乘法器，两个信号是频率相同的正弦函数，相位差为一个角度，运算结果再经过一个积分电路，得到一个直流电压V=KCOSφ，电路的输出和被测信号相位差余弦成正比例，因此其测量范围在45°以内，欲使测量范围扩展到360°，需要附加一些电路才能做到。这种方法由于应用了积分环节，可以滤掉信号波形中的高次谐波，抑制了谐波对测量准确度的影响。 方案三 ：通过零点检测法。过零点检测法是将基准信号正向通过零的时刻与被测信号通过零的时刻进行比较，由二者之间的时间间隔，即可推算出两信号之间的相位差。 上述几种测量相位的方法，各有其优缺点，从灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看，过零点检测法比较好，它还易于实现数字化和自动化，又可以给出两种形式的输出，输出正比于相位差的直流电压和相位差的脉冲数。现代的数字相位表多采用这种原理构成。经过对三种方案的比较，为了便于数字化和集成化，本设计采用方案三的过零点检测。 1.2 频率测量方案 方案一 ：用专用频率计模块来测量频率，如ICM7216芯片，其内部带放大整形电路，可以直接输入正弦信号，外部振荡部分选用一块高精度晶振和两个低温度系数电容构成10MHz振荡电路，其转换开关具有0.01s，0.1s，1s，10s四种闸门时间，量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果。 方案二 ：采用双电压比较器进行波形整理，将正弦波转换为方波信号，利用FPGA实现高速计数及高精度浮点运算。 由于方案一外围硬件电路较为复杂，而方案二易于控制，便于实现，能达到题目要求的精度，故选择方案二。 1.3 数字移相信号发生器方案 在数字移相信号发生器模块电路中，首先要生成两路相同频率、不同相位的正弦波信号，目前直接频率合成技术已经是很完善的一种数字信号产生方案，所以在该部分，我们对产生正弦波信号的数字移相方案进行论证。 方案一：将正弦波量化为一张数据表存储于ROM通过FPGA控制计数器来对存储器中的数据进行寻址，并经过两片D/A转换器循环的输出该数据表，当两路D/A转换器所获得的数据序列不同时，转换所得的两路正弦信号存在相位差，相位差值仅与数据地址的偏移量有关。 方案二：RC振荡电路产生频率可调的正弦波，通过移相网络调节两路正弦波的相位差。 比较以上方案，采用ROM存储量化的正弦波数据，可以较精确的控制移相的大小，实现1o相位差步进，且硬件电路较为简单，而方案二不能精确控制移相，但是相对而言硬件电路更为复杂，调试较为麻烦，因此采用方案一。 2 理论分析与硬件电路图 2.1 相位差测量模块 2.1.1原理分析 输入两路同频率的正弦波信号，其波形表达式分别为： （2-1） （2-2） 两路信号的频率相同时，θ=φ1－φ2是一个与时间无关的常数，将此两路正弦波信号通过滞回比较器电路后形成两路方波信号F1、F2，经过异或门输出一个脉冲序列A，与晶振产生的基准脉冲波B进行与操作得到调制后的波形C，在一定的时间范围内对B、C中脉冲的个数进行计数得Nb、Nc，如图2.1所示。则其相位差计算公式为： （2-3） 采用多个周期计数取平均值的方式可以