基于FPGA的低頻數(shù)字相位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

1、 引言關(guān)于低頻數(shù)字相位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，提出了以單片機(jī)最小系統(tǒng)和復(fù)雜可編程邏輯芯片為核心的電路設(shè)計(jì)模型。相位的數(shù)字測(cè)量方法基本分為硬件電路測(cè)量與采樣后利用軟件計(jì)算兩種。硬件法測(cè)量由于電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，易受外界干擾影響以及準(zhǔn)確度較差的缺點(diǎn)，限制了其作用進(jìn)一步發(fā)揮。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件及其外圍設(shè)備的日益發(fā)展，以數(shù)字信號(hào)處理為核心的軟件法測(cè)量技術(shù)在相位差的測(cè)量中得到了越來(lái)越多關(guān)注，并且得到了較快發(fā)展。同頻率正弦信號(hào)間的相位差測(cè)量在電工技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化、智能控制及通訊、電子等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如電工領(lǐng)域中的電機(jī)功角測(cè)試，介質(zhì)材料的損耗角的確定等。因此相位差測(cè)量有著廣泛的實(shí)用價(jià)值。本系統(tǒng)

2、由數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算控制電路和數(shù)據(jù)顯示電路三大部份構(gòu)成，其系統(tǒng)功能主要是進(jìn)行相位差測(cè)量及頻率測(cè)量。該系統(tǒng)采用單片機(jī)和作為低頻數(shù)字相位測(cè)量?jī)x的核心部分。采用單片機(jī)和作為低頻數(shù)字相位測(cè)量?jī)x的核心部分，由數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算控制電路基于的低頻數(shù)字相位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)康占義張家口教育學(xué)院宣化分校職業(yè)教育部圖系統(tǒng)原理框圖圖采用施密特觸發(fā)器的整形電路和數(shù)據(jù)顯示電路三大部分構(gòu)成，其系統(tǒng)功能主要是進(jìn)行相位差測(cè)量及頻率測(cè)量。采用語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)分為三大基本組成部分：數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算控制電路和數(shù)據(jù)顯示電路?？紤]到具有集成度高，資源豐富，穩(wěn)定可靠，可現(xiàn)場(chǎng)在線編程等優(yōu)點(diǎn)，而單片機(jī)具有很好的人

3、機(jī)接口和運(yùn)算控制功能，本系統(tǒng)擬用和單片機(jī)相結(jié)合，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)控主體。系統(tǒng)原理框圖如圖。信號(hào)整形電路的設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單的信號(hào)整形電路就是一個(gè)單門限電壓比較器（如圖所示），當(dāng)輸入信號(hào)每通過(guò)一次零時(shí)觸發(fā)器的輸出就要產(chǎn)生一次突然的變化。當(dāng)輸入正弦波時(shí)，每過(guò)一次零，比較器的輸出端將產(chǎn)生一次電壓跳變，它的正負(fù)向幅度均受到供電電源的限制，因此輸出電壓波形是具有正負(fù)極性的方波，這樣就完成了電壓波形的整形工作。 圖數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)組成框圖圖單片機(jī)系統(tǒng)原理圖圖數(shù)據(jù)顯示電路表數(shù)碼管的編碼表圖采用單門限觸發(fā)器的整形電路為了避免過(guò)零點(diǎn)多次觸發(fā)的現(xiàn)象，我們使用施密特觸發(fā)器組成的整形電路。施密特觸發(fā)器在單門限電壓比較器的基礎(chǔ)

4、上引入了正反饋網(wǎng)絡(luò)。由于正反饋的作用，它的門限電壓隨著輸出電壓的變化而改變，因此提高了抗干擾能力。本系統(tǒng)中我們使用兩個(gè)施密特觸發(fā)器對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行整形，電路圖如圖所示。數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路的功能就是實(shí)現(xiàn)將待測(cè)正弦信號(hào)的周期、相位差轉(zhuǎn)變?yōu)槲坏臄?shù)字量。數(shù)據(jù)采集的硬件電路我們可采用下載板來(lái)實(shí)現(xiàn)，該下載板包含芯片、下載電路和配置存儲(chǔ)器。本模塊主要是對(duì)進(jìn)行硬件描述語(yǔ)言（）程序設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，數(shù)據(jù)采集電路的輸入信號(hào)有：系統(tǒng)工作用時(shí)鐘信號(hào)輸入端；，兩路被測(cè)信號(hào)輸入端；單片機(jī)發(fā)出的傳送數(shù)據(jù)使能信號(hào)，在的上升沿，向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)；單片機(jī)發(fā)出的傳送數(shù)據(jù)類型信號(hào)，當(dāng)時(shí)，向單片機(jī)傳送被測(cè)信號(hào)頻率

5、數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)，向單片機(jī)傳送被測(cè)信號(hào)相位差數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集電路的輸出信號(hào)有：到單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出口，由輸出控制信號(hào)和控制。數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)組成框圖如圖。單片機(jī)數(shù)據(jù)運(yùn)算控制電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)數(shù)據(jù)運(yùn)算控制電路的功能就是負(fù)責(zé)讀取采集到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算待測(cè)正弦信號(hào)的頻率及兩路同頻正弦信號(hào)之間的相位差，同時(shí)通過(guò)功能鍵切換，顯示出待測(cè)信號(hào)的頻率和相位差。在設(shè)計(jì)中考慮到，單片機(jī)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和控制能力的特點(diǎn)，因此使用單片機(jī)的口，口及、接收送來(lái)的對(duì)應(yīng)于正弦信號(hào)的周期、相位差的位數(shù)據(jù)信號(hào)，口的、接入兩個(gè)輕觸按鍵，完成功能選擇與設(shè)置。該電路的工作原理是，單片機(jī)通過(guò)向發(fā)送數(shù)據(jù)傳送指令，使按照單片機(jī)的要求發(fā)送數(shù)據(jù)

6、，同時(shí)通過(guò)使用單片機(jī)的串口，將待顯示的數(shù)據(jù)信息送給數(shù)據(jù)顯示電路顯示。其原理圖如圖所示。單片機(jī)數(shù)據(jù)運(yùn)算控制電路的軟件設(shè)計(jì)思路是，單片機(jī)不斷地從讀取信號(hào)的周期和、信號(hào)相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差，讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，并通過(guò)轉(zhuǎn)換后，送出給顯示模塊，實(shí)現(xiàn)頻率和相位差的顯示。數(shù)據(jù)顯示電路的設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)硬件電路中，單片機(jī)與進(jìn)行數(shù)據(jù)交換占用了口、口和口，因此數(shù)據(jù)顯示電路的設(shè)計(jì)采用靜態(tài)顯示的方式，顯示電路由個(gè)共陽(yáng)極七段數(shù)碼管和片位串入位并出的芯片組成。這種顯示方式不僅可以得到較為簡(jiǎn)單的硬件電路，而且可以得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)輸出；這種連接方式不僅占用單片機(jī)端口少，而且充分利用了單片機(jī)的資源，容易掌握其編碼規(guī)律，簡(jiǎn)化了軟件

7、編程，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，也體現(xiàn)出較高的可靠性。數(shù)據(jù)顯示電路如圖所示。是一種位高速串入并出的移位寄存器，隨著時(shí)鐘信號(hào)的高低變化，串行數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)輸入與門同步的送入，使用獨(dú)立于時(shí)鐘的主控復(fù)位端讓寄存器的輸出端變?yōu)榈碗娖?，并且采用肖特基鉗位電 圖數(shù)據(jù)采集電路仿真圖路以達(dá)到高速運(yùn)行的目的。并且還具有以下的特點(diǎn)：典型的移位頻率；異步主控復(fù)位；門控串行輸入；同步數(shù)據(jù)傳輸；采用鉗位二極管限制高速的終端；靜電放電值大于。在本系統(tǒng)中，的連接方式為：的輸出分別接數(shù)碼管的、，并且連接下一個(gè)的、端，時(shí)鐘連接單片機(jī)的端，第一片芯片的端連接單片機(jī)的端，芯片的主控復(fù)位端接高電平。在這種狀態(tài)下，數(shù)碼管的編碼如表所示。系統(tǒng)仿真圖是數(shù)據(jù)采集電路程序設(shè)計(jì)仿真圖。對(duì)照程序進(jìn)行仿真分析。結(jié)論本設(shè)計(jì)充分利用了的高速硬件捕獲功能來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率和相位的測(cè)量，并利用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，由于對(duì)脈沖信號(hào)比較敏感，而被測(cè)信號(hào)是周期相同，相位不同的兩路正弦波信號(hào)，為了準(zhǔn)確的測(cè)出兩路正弦波信號(hào)的相位差及其頻率，我們對(duì)輸入波形在送入進(jìn)行處理前先設(shè)置了一個(gè)具有正反饋功能的、由施密特觸發(fā)器組成的整形電路進(jìn)行整形，使正弦波變成方波信號(hào)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。采用了由個(gè)共陽(yáng)極七段數(shù)碼管和片位串入位并出的芯片組成的顯示電路顯示測(cè)量的詳細(xì)信息。單片