相位测量仪报告 .pdfVIP

相位测量仪

摘要：本设计以单片机和可编程逻辑器件FPGA为控制核心，实现数字信号的

产生、逻辑信号的采集和示波器的显示。系统主要由三个模块组成:信号发生，

数据采集与波形显示。本设计经过单片机产生逻辑信号，利用FPGA作为数据处

理器和DAC控制器，能准确、清晰的在模拟示波器上显示出逻辑波形、触发标

记、光标。利用键盘输入和液晶显示，能实现逻辑预设和触发模式设置。经验证，

本方案完成了全部基本功能和扩展功能。

关键词：逻辑分析仪可编程逻辑器件单片机

Abstract:ThedesignofthemicrocontrollerandFPGAprogrammablelogic

asadataprocessorusingFPGAandDACcontrollers,accurate,clearlyshowsthe

logicwaveforms.TheuseofkeyboardandLCDdisplay,andtoachievepre-trigger

modelogic.Proven,theprogramcompletedallthebasicfeaturesandextensions.

Keywords:logicallinkcontrolProgrammablelogicdevicesMCU

一、方案设计与论证

1、数字式移相信号发生器

方案一：采用FPGA实现DDS直接频率合成技术。其工作原理是采用ROM

存储所需波形的量化数据，通过频率控制字控制输出频率，通过相位控制字

控制相位偏移量，再通过DA转换和滤波器即可得出所需波形。本方案采用

FPGA可以容易实现。

方案二：用PLL频率合成技术产生正弦信号，再经过FIR数字滤波器实

现数字移相。这种方法在对相位精度要求较高时，硬件实现比较繁琐。

方案论证：方案二电路复杂，要用到PLL芯片和FPGA，而方案一只需

FPGA即可，实现起来比较简单，而且输出稳定，因此本设计选择方案一。

2、移相网络

方案一：

方案二：

方案论证：

3、相位测量

方案一：采用模拟乘法器+低通滤波器实现。这种方法可得出相位差的

直流电压表示，因而可得出相位差的大小。但是乘法器的输出电压会随输入

信号的振幅而变化。

方案二：采用比较器+异或门+D触发器实现。这种方法可得出相位差

的方波脉宽表示，只需测出脉宽和信号频率，即可出相位差的大小。其中D

触发器用于判断两路信号超前/滞后关系。

方案三：采用比较器+FPGA实现。经过比较器的两路信号直接送到FPGA，

在FPGA内部直接检测两路信号出现上升沿的时间差，与信号频率比较即可

得出相位差。

方案四：采用AD转换器和FPGA实现。将输入信号通过AD采样，存储

到RAM中，然后通过找出两个RAM中最大值的位置来确定相位差的大小。

方案论证：由于要保证0.1度的相位测量精度，方案一和方案四实现起

来比较困难，方案二和方案三本质上差不多，两个方案二均可实现，本设计

采用了方案三。

4、频率测量

方案一：采用测频法加测周法。测频法是固定一个时间门限，测出信号

的上升沿或下降沿个数，即可得到频率值。测周法是在一个或多个信号周期

内测出一个已知信号的上升沿个数，也可得到信号的频率。测频法适用于信

号频率较高的场合，测周法适用于信号频率较低的场合。

方案二：采用等精度测量。等精度测量是改进的测频法，其时间门限随

着被测信号移动，测量结果有很高的准确度。但是等精度测量在低频时精度

不够高。

方案三：采用等精度测量加测周法。在高频时采用等精度测量，获得较

高的准确度，在低频时采用测周法，获得较高的精度。再利用一个预判模块

判断当前频率值，最终获得高精度和高准确率的数值。

5、系统总体设计与框图

（1）系统框图：

（2）电路说明

二、理论