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低频数字式相位测量仪 设计报告 摘要 本系统以单片机和FPGA为核心，辅以必要的模拟电路，构成了一个基于具有高速处理能力的FPGA的低频数字式相位测量仪。该系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器以及移相网络组成；移相网络能够产生-45°~45°相位差的两路信号；相位测量仪能够测量出具有0°~359°的两路信号的相位差；而数字式移相信号发生器能够产生出相位差为0°~359°的且具有数字设置步进为1°的两路输出信号。经过实验测试，以上功能均可以准确实现。 一、方案设计与论证 1、移相网络设计方案 本设计的核心问题是信号的模拟移相程控问题，其中包括波形相位以及波形幅度的程控。在设计过程中，我们首先考虑了赛题中提供的方案。如图1-1所示： 该模拟电路主要采用高、低通电路的临界截止点来产生极值相位的偏移。当高、低通电路的截止频率等于输入信号频率时，根据其幅频特性，信号波形所产生的相位分别为45°和-45°，恰好满足赛题要求的连续相移范围-45°~45°的调节。由于高、低通电路在截止点时会产生幅度的衰减，故电路在后级加了放大电路，且采用了电压串联负反馈的方式提高了输入阻抗并降低了输出阻抗，电路最后还设计有调幅装置，能够很好地满足A、B输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3V—5V范围内变化。 综上所述，该移相网络能够满足赛题的所有要求，且电路设计简单、易行，故我们直接采用了这种方式来产生模拟的相移输出。 2、数字式移相信号发生器设计方案 本单元设计的关键在于两个波形相位差的准确定位，在设计中我们综合考虑了两种实现方案： 方案一：采点式相位确定。利用相位范围0°~ 360°设定每个波形含有360个点，即每一点都对应一度，以保证相位的精确定位。但当输入波形频率较高时，FPGA中的 DDFS对该波形的采点数将降低，该方法也不再适合；此外360个点的 波形很难利用DDFS的地址线准确产生，由于DDFS在运行时地址是不断向下扫描的，其多余地址中的零数据也将同样会被显示输出，使得波形不再准确。 方案二：F—T转换相位定位。由于我们采用了直接数字式频率合成器DDFS生成输入波形，故其频率是高精度的，经单片机进行频率与周期的转换后，再通 过公式：t=(D÷360)×T(其中,t为延时，D为相位差角度，T为波形周期)可以得出准确的延时。利用此延时来控制两个波形输入的时间间隔即可实现相位的精 确定位。因此采用此种方案。 3、相位测量仪设计方案 方案一：混频分像监相电路。相位检测系统在测相过程中，都会遇到模糊问题。一般在+180°或0°、360°等几个特殊点附近均存在相位“模糊区”。而混频分相监相系统采用双监相器（正弦和余弦监相器），获取有关相位信息，相位信息经A/D变换（模拟信号转换成数字信号），送往微处理机进行信号数据处理；同时，把测得的相位值送显示装置显示。在测量过程中，微处理机不断地对检测系统进行自动校准测试，消除了温漂带来的不稳定性（即系统误差），提高了系统测量精度。校准/测试转换、8、75MHz/0、625MHz选频转换均由微处理机控制继电器自动转换。其电路原理框图见1-3-1： 该方法具有测量精度高，可以是相位检测精度达到±(0.3—0.5°),相位分辨率为0.1°，且最高工作频率较低，但是设计到混频和高精度放大，使得调试变得异常复杂，在短时间内不太容易实现。 方案二：检相器可以利用正弦波形的正半周和负半周的对称特性。利用这一特性，正弦信号之间的相差可以在小于1/4信号周期的时间内被检测出来。 其中，双极性锯齿波的频率是参考信号的两倍。它的中心点与参考信号的 零点对齐。通过其幅度对应于输入正弦信号在半周期内的过零点的变化可以线性 地反映相位变化，并通过采样保持电路把锯齿波在该点的幅值转换成支流电压输出。其整体框图见1-3-2。 从实质上说，该方案为一个相位——电压转换电路，是将相位差近似的转换成电压信号，需要用极精密的芯片和调试方法来达到较高的精度，而且其转换出来的连续电压信号很难适合本题的数字化问题。应该说该方案比较适合做芯片的开发以适应其他的需求。 方案三：基于具有高速处理能力的FPGA的相位差测量电路。该方案用单片机控制高速的FPGA来采样两信号的相位差和信号的频率，以取来的大数据来满足对相位差的极高分辨率。采集的数据送单片机进行处理，以送至液晶或其他的显示装置以显示。当然，如前所述，任何的相位检测电路都存在相位模糊问题，为此，本系统对输入的信号进行了放大整形处理，以达到减小相位模糊的目的。 该方案具有思路相对清晰，有高速的FPGA进行高速数据采集作为后盾，并以低漂的比较器和运放作支持，在辅以具有很强控制能力的单片机，所以，采取此方案成为目前阶段顺理成章的事情。 二、系统设计 1、总体设计 ⑴ 系统框图 如图2