低频数字式相位测量仪.doc

低频数字式相位测量仪 ，低频数字式相位测量仪。
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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