FPGA的低频数字相位开题报告

1、基于FPGA的低频数字相位测量仪设计开题报告一、课题的目的和意义 1研究目的随着数字电子技术的发展，由数字逻辑电路组成的控制系统逐渐成为现代检测技术中的主流，数字测量系统也在工业中越来越受到人们的重视。 在实际工作中，常常需要测量两列频率相同的信号之间的相位差，来解决实践中出现的种种问题。例如，电力系统中电网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这时需要精确测量两列工频信号之间的相位差。如果两列信号之间的相位差达不到相同，会出现很大的电网冲激电流，对供电系统产生巨大的破坏力，所以必须精确地测量出两列信号之间的相位差。数字式仪器采用数码管显示相位差，精确度高，稳定性能好，读数方便且不需要经常

2、调试，所以数字式测量仪逐渐代替了原来的模拟式仪器。本系统可分为三大基本组成部分：数据采集电路、数据运算控制电路和数据显示电路。其中数据采集电路用FPGA实现，其功能就是实现将待测正弦信号的周期、相位差转变为19位的数字量。 2研究意义随着相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在低频范围内，相位测量在电力、机械等部门有着尤其重要的意义，对于低频相位的测量，用传统的模拟指针式仪表显然不能够满足所需的精度要求，随着电子技术以及微机技术的发展，数字式仪表因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。基于这些要求，

3、我们设计并制作了基于FPGA为核心的低频数字式相位测量系统。二、文献综述本设计给出了以FPGA为核心的数字式相位测量的基本原理与实现方案。该系统由数据采集电路、数据运算控制电路和数据显示电路组成。其中数据采集电路用FPGA实现，其功能就是实现将待测正弦信号的周期、相位差转变为19位的数字量。同频率正弦信号间的相位差测量在电工技术、工业自动化、智能控制及通讯、电子等许多领域都有着广泛的应用，如电工领域中的电机功角测试，介质材料损耗角的确定等。因此，相位差测量技术有着广泛的实用价值。相位的数字测量方法基本分为硬件电路测量与A/D采样后利用软件计算两种。硬件法测量由于电路结构比较复杂、易受外界干扰影

4、响以及准确度较差的缺点，限制了进一步发挥它的作用。近年来，随着计算机软硬件及其外围设备的日益发展，以数字信号处理为核心的软件法测量技术在相位差的测量中得到了越来越多的关注，并取得了较快发展。FPGA是20世纪90年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着EDA（电子设计自动化）技术和微电子技术的进步，FPGA的时钟延迟可达到ns级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景；并且FPGA具有高集成度、高可靠性，几乎可将整个设计系统下载于同一芯片中，实现所谓片上系统，从而大大缩小其体积。本设计基于FPGA设计的低频数字式相位测量系统，具有很好的发展前景和开发价值。该测量仪包括数

5、字式移相信号发生器和相位测量仪两部分，分别完成移相信号的发生及其频率、相位差的预置及数字显示、发生信号的移相以及移相后信号相位差和频率的测量与显示几个功能。其中数字式移相信号发生器可以产生预置频率的正弦信号，也可产生预置相位差的两路同频正弦信号，并能显示预置频率或相位差值；相位测量仪能测量移相信号的频率、相位差的测量和显示。两个部分均采用基于FPGA的数字技术实现，使得该系统具有抗干扰能力强, 可靠性好等优点。三、研究（设计）内容和拟解决的关键问题1研究内容（1）研究基于FPGA的低频数字相位测量仪的设计。（2）建立基于FPGA的低频数字相位测量仪系统模型，并实现仿真（3）采用FPGA/CPL

6、D和单片机相结合，构成整个系统的测控主体。（4）使得测量分辨率精确到0.1，测得的频率与相位差值送入LED进行显示。2研究途径参阅资料和文献，系统学习基于FPGA的低频数字相位测量仪制作的技术，本系统硬件设计应用了EDA技术，软件设计采用基于C51的模块化设计技术，建立完整仿真模型并仿真，实现基本的控制过程。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-4545相位差的两路信号；相位测量仪能够测量出具有0359的两路信号的相位差；而数字式移相信号发生

7、器能够产生出相位差为0359的且具有数字设置步进为1的两路输出信号。3技术路线（1）根据低频数字相位测量仪的特点采用FPGA技术，通过软件和硬件的充分结合实现控制过程。（2）低频数字相位测量仪的频率测量由FPGA来完成，可以实现高速、高精度的要求。（3）为使产生的信号平滑，采用滤波电路对波形的进行后级处理。采用最简单的无源RC低通滤波器。（4）通过发光二极管的显示来模拟显示测量结果。（5）在电脑与模拟试验箱上实现仿真过程，达到设计的预期效果。4拟解决的关键问题所要解决本课题的主要问题是：系统控制策略的开发和仿真，并实现自适应功能，以及系统程序的设计和调试。四、研究（设计）方案与进度计划安排1研

8、究（设计）方案： 总体设计方案：整形电路整形电路 FPGA数据采集电路单片机数据运算控制 电路数据显示电路 （1）整形电路设计 信号整形电路的原理就是利用单门限电压比较器，当输入信号每通过一次零时触发器的输出就要产生一次突然的变化。当输入正弦波时，每过一次零，比较器的输出端将产生一次电压跳变，它的正负向幅度均受到供电电源的限制，因此输出电压波形是具有正负极性的方波，这样就完成了电压波形的整形工作。 但是如果输入信号在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏）。为了避免过零点多次触发的现象，使用施密特触发器组成的整形电路。施密特触发器在单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络。

9、由于正反馈的作用，它的门限电压随着输出电压Uo的变化而改变，因此提高了抗干扰能力。（2）数据采集电路设计 FPGA数据采集电路的功能就是实现将待测正弦信号的周期、相位差转变为19位的数字量。FPGA数据采集的硬件电路可采用FPGA下载板来实现，该下载板包含FPGA芯片、下载电路和配置存储器，其电路结构可参见对应的FPGA下载板说明书。本电路主要是进行FPGA的硬件描述语言(HDL)程序设计。（3）数据运算控制电路设计单片机数据运算控制电路的功能就是负责读取FPGA采集到的数据，并根据这些数据计算待测正弦信号的频率及两路同频正弦信号之间的相位差，同时通过功能键切换，显示出待测信号的频率和相位差。

10、（4） 显示部分设计方案方案一：采用点阵式液晶显示器（LCD）显示。虽然其功能强大，可显示各种字体的数字、汉字，图像，还可以自定义显示内容，但是编程复杂，需要完成大量的显示工作。方案二：采用发光二极管（LED）显示。虽只能显示非常有限的符号和数码字，但可完全满足本设计数字显示的要求，且编程简单。分析以上两种方案的优缺点，第二种方案更为方便、实用2进度计划安排 阶 段起始日期终止日期进 度技术指标第一阶段完成选题和资料收集全面丰富课题内容第二阶段撰写开题报告确定外文翻译资料整体规划第三阶段2009.05.20开始设计系统组成原理框图，绘制原理图，完善电路组成设计合理机构化、模块化第四阶段1200

11、9.05.30进行电路元器件选择、软件设计、程序调试及仿真确定参数，程序调试与仿真第五阶段2009.05.312009.06.20撰写毕业设计论文、细化毕业设计内容准备答辩详细全面，提交论文五、预期结果和创新成果所设计的数字是相位差测量仪设计系统在计算机上机上实现仿真，在实验室达到预期的效果。该系统具有频率测量及数字显示功能，相位差数字显示：相位读数为0359.9，分辨力为0.1。六、成文时间和提交成果形式2009年6月20日完成论文“基于FPGA的低频数字相位测量仪设计”。提交成果：开题报告、设计论文、系统电路原理图、有关设计的英文翻译、毕业设计手册。七、参考文献目录 1谢自美.电子线路、实

12、验及测试M.华中理工大学出版社，2000. 张厥胜. 2 基于CPLD的低频数字相位测量仪.电子工程师.2006，10；3陈赜.在系统可编程技术M.科学出版社，2001.4李军，51系列单片机高级实例开发指南，北京航空航天大学出版社出版发行2002年5月 5李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，2004.6康华光，电子技术基础 模拟部分（第四版）.北京：高等教育出版社，2003.7 基于MCU和FPGA的数字式相位测量仪的设计.自动化仪表.2006，9；8阎石，数字电子技术基础，北京：高等教育出版社，2000.9 余永权主编.Flash单片机原理与应用.北京：

13、电子工业出版社，1999； 10 何立民.单片机应用技术选编（6）.北京：北京航空航天大学出版社，1998。11 唐竞新.数字电子电路 . 清华大学出版社，2003.09 12赵新民，智能仪器原理及设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989.13康华光，电子技术基础 模拟部分（第四版）.北京：高等教育出版社，2003.14石东海主编.单片机数据ton通信技术从入门到精通.西安：西安电子科技大学出版社，2003年5月15M. Tanaka and K. Nakayama, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1 22, 233 _1983_.16 Shigeru Hosoe et al., Precis. Eng. 17, 258 _1995_.17 N. M. Oldham et al., Precis. Eng. 15, 173 _1993_.18 A. Tselikov et al., 16, 1613 _1998_.19 S. Mori et al., Opt. Eng. _Bellingham_ 27, 823 _1983_.20N. B. Yim e