相位偏移量vhdl毕业设计.doc

目 录 摘 要 2 1 引 言 4 1.1相位测量的应用 4 1.2 相位测量技术的历史和现状 5 1.3 鉴相型系统的工作原理 6 1.4 相位测量的各种方法及其基本原理 6 1.5 相位测量误差的产生 7 2 光电编码器测量原理及应用 8 2.1 光电编码器分类 8 2.2 光电编码器原理及应用 10 2.2.1 光栅测量原理 10 2.2.2 辨向原理 12 2.2.3 细分技术 13 2.2.4 本设计对光电编码器的要求 13 3 CPLD及vhdl语言 14 3.1 CPLD和VHDL语言简介 14 3.1.1 CPLD 14 3.1.2 VHDL语言 16 3.2 VHDL开发环境 17 4 四倍频细分法测相位的vhdl语言实现 18 4.1 测量原理及方案 18 4.2具体实现过程 19 4.2.1 四倍频的实现 19 4.2.2 鉴向的原理及实现 22 4.3 vhdl语言程序设计 22 4.4结果分析 24 4.4.1 编译仿真 24 4.4.2 比较分析 26 4.4.3 误差分析 26 5 总 结 27 致 谢 28 参考文献 29 附 录 30 摘 要 利用CPLD和VHDL语言的相位精确测量，相位测量在很多测量系统中占有重要的位置，采用光电编码器可以精确地完成这项工作。 光电编码器是一种可以传递位置信息的传感器，它利用光栅衍射原理实现位移—数字变换。当编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。当需要提高分辨率时，可利用 90 度相位差的 A、B 两路信号进行倍频，因此如何处理光电编码器的信号是一个十分重要的研究内容。。 本设计采用四倍频细分法提高系统的分辨力。在相差四分之一莫尔条纹的间距的位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差π/2的电信号，然后通过对两个信号的处理转化为四个计数脉冲，实现四倍频细分。最后将计数脉冲进行计数，所得的计数值即为相位偏移量。要求计数器具有预置，清零等功能。本课题采用CPLD和VHDL语言进行该系统设计。 关键词：光电编码器，CPLD 数据采集，计数器 1 引 言 相位测量广泛应用于各个行业的系统检测和智能控制中。比如机床的精确定位，机器人关节的位置感应都需要精确的相位测量。在现代工业、科学研究、自动控制、工程技术以及国防建设中,精确的相位测量和校准有着重要的地位和广泛的应用。 相位的定义是同一频率的二信号之间的时间差。如图１-1所示： 　　　　　　　　　　 图1-1 正弦信号间的时间关系 1.1相位测量的应用 相位的测量通常是指两个同频率信号之间相位差。相位计是一种应用非常广泛的电子测量仪器。 随着科学技术的发展，相位测量技术的应用己深入到各个领域，包括电力、机械、航空航天、医疗、化工等。正确使用相位测量技术可以解决电气、电子及其它非电量测量的许多问题。例如： （1）测量网络的传输特性。只要测出幅频特性及相位特性，就可了解网络的全部传输特性。 （2）测量谐振频率。根据谐振时其相位移为零特性即可求出其谐振频率。 （3）测量时延特性。通过测量被测网络的相位，可得到被测网络的相时延、频率特性及群时延频率特性。 （4）测量和校正伺服系统。 相位测量技术经常应用于光电伺服控制中。光电伺服控制技术经历了交磁电机扩大机系统、磁放大器控制、晶体管控制、集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今已进入了一个全新的时期，其主要标志为智能功率集成电路和数字信号处理器的出现，使得伺服系统模块化和全数字化容易实现，长期以来建立在现代控制理论或其它一些复杂控制算法基础上的控制原理得以快速在线计算及进行对系统的优化处理。在伺服系统的设计中，在实时性允许的前提下，一般来说，总是尽可能的用软件资源代替硬件资源，以降低成本，简化硬件系统结构，提高系统的性价比，因此，采用CPLD是一个不错的选择。 1.2 相位测量技术的历史和现状 相位测量技术的研究由来己久，最早的研究和应用是在数学的矢量分析和物理学的圆周运动以及振动学方面，随之在电气及电力方面也相应得到重视和发展。随着电子技术和计算机技术的发展，相位测量技术得到了迅速的发展，相位测量仪器已系列化和商品化，广泛应用于测量RC、LC网络、放大器相频特性以及依靠信号相位传递信息等方面的电子设备。现代相位测量技术的发展可分为3个阶段： （1）是在早期采用的诸如李沙育法、阻抗法、和差法、三电压法等，这些测量方法通常采用比对法和平衡法，虽然方法简单，但测量精度较低。 （2）是利用数字专用电路、微处理器等来构成测试系统，使测量精度得以大大提高。 （3）是充分利用计算机及智能化测量技术，如在美国等发达国家采用了LABVIEW虚拟仪器来构成测试系统，从而大