〔大学论文〕低频数字相位测量仪(含word文档) .pdf
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1、摘要 I 低频数字相位测量仪低频数字相位测量仪低频数字相位测量仪低频数字相位测量仪 摘要 设计了一个基于现场可编程门阵列(FPGA)和 AT89S51 单片机相结合的低频数字相位测 量仪。本系统可分为三大基本组成部分:数据测量电路、数据运算控制电路和数据显示电路。 FPGA 数据测量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。 单片机数据运算控制电路的功能就是负责读取 FPGA 测量到的数据,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。数据显示电路的设计采用静态显示方式,显示电路由 8 片
2、 1 位串入 8 位 并出的 74LS164 芯片组成。 本系统拟用 FPGA 和单片机相结合,构成整个系统的测控主体。整个系统发挥了FPGA 和单片机各自的优势,具有高速而可靠的测控能力,具有比较强的数据处理能力,键盘输入 及显示控制比较灵活,系统可扩展性比较好,整个系统性能价格比比较好。 关键词FPGA,单片机,频率,相位差,相位测量仪 攀枝花学院本科毕业设计(论文)ABSTRACT II ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT The paper has designed a low frequency digital phase measuring instr
3、ument based on the system which communicates FPGA and the microcontroller (AT89S51). This system includes three modules: data measuring electric circuit, data operation control circuit and data display electric circuit. The function of the FPGA data measuring electric circuit is transforms the cycle
4、, phase difference of the two input sine signals to be 19 bit of digital data. The function about microcontroller data operation control circuit is to read the data which FPGA has measured, and according to these data computations the frequency and the phase difference between two group sine signals
5、 which have same frequencies, simultaneously through the function key switch, displaying the frequency and phase difference of the two group sine signals. The data display electric circuits design adopting the static state display mode, the display circuit is composed by 8 pieces of 74LS164 chip (8-
6、bit Serial-Input/Parallel-Output shift Register). This system plans with FPGA and the microcontroller, framing the phase measuring instruments dominant measurement and control system. The overall system has displayed FPGA and the microcontroller respective superiority, has high speed and the reliabl
7、e measurement and control ability, and has the quite strong capacity of deal with data, the keyboard entry and the display control also quite flexible. The systems extension is quite good. All the superiorities make the good performance price ratio of this low frequency digital phase measuring instr
8、ument. KeywordsKeywordsKeywordsKeywordsFPGA, Microcontroller, Frequency, Phase difference, Phase measurement system 目录 1 目录 摘摘 要要.I ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACTII 1 1 1 1 绪论绪论 1 1.11.11.11.1 课题背景课题背景. 1 1.1.1 研究意义.1 1.1.2 研究现状、水平及发展趋势.1 1.21.21.21.2 课题核心课题核心. 3 2 2 2 2 系统设计系统设计 4 2.12.12.12.1 设计
9、要求设计要求. 4 2.22.22.22.2 总体设计思想总体设计思想. 4 2.32.32.32.3 总体测量思路总体测量思路. 5 3 3 3 3 设计方案设计方案 6 3.13.13.13.1 测量方案测量方案. 6 3.1.1 频率测量6 3.1.2 相位差测量.8 3.23.23.23.2 正弦波信号发生器设计正弦波信号发生器设计9 3.33.33.33.3 信号整形电路的设计信号整形电路的设计9 3.3.1 方案论证.9 3.3.2 关于四电压比较器 LM33911 3.43.43.43.4 移相网络设计移相网络设计11 3.4.1 性能要求.11 3.4.2 方案论证.11 4
10、4 4 4 FPGAFPGA 数据测量电路的设计数据测量电路的设计. 14 4.14.14.14.1 设计原理设计原理. 14 4.1.1 设计思路.14 4.1.2 FPGA 数据测量电路的测量原理.14 4.1.3 精度分析.14 4.24.24.24.2 FPGAFPGA 概述概述 15 4.34.34.34.3 设计平台设计平台. 16 4.3.1 软件设计平台.16 目录 2 4.3.2 硬件设计平台.17 4.44.44.44.4 具体软件设计具体软件设计18 4.4.1 Quartus应用.18 4.4.2 软件设计方法.19 4.4.3 模块功能描述和系统原理图.19 4.4.
11、4 运行监测程序.20 4.4.5 程序中端口及引脚定义.20 4.54.54.54.5 具体硬件连接具体硬件连接21 4.5.1 与单片机的连接.21 4.5.2 其它连接22 5 5 5 5 单片机数据运算控制电路的设计单片机数据运算控制电路的设计.23 5.15.15.15.1 设计思路设计思路. 23 5.1.1 硬件电路和原理图.23 5.1.2 精度分析.24 5.25.25.25.2 AT89S51AT89S51 概述概述 24 5.2.1AT89S51 单片机24 5.2.2AT89S51 特性24 5.2.3 引脚排列.25 5.2.4 引脚功能.26 5.2.5 低功耗运行
12、模式.28 5.35.35.35.3 设计平台设计平台. 29 5.3.1 软件设计平台.29 5.3.2 硬件设计平台.29 5.45.45.45.4 软件设计思路软件设计思路29 5.4.1 主程序设计.29 5.4.2 数据读取模块.30 5.4.3 频率计算模块.30 5.4.4 相位差计算模块.31 5.4.5 显示模块.31 6 6 6 6 数据显示部分数据显示部分 33 6.16.16.16.1 显示电路的设计显示电路的设计33 6.1.1 设计思路.33 6.1.2 LED 显示器接口原理.33 6.1.3 显示电路图.34 目录 3 6.26.26.26.2 关于关于 74L
13、S16474LS164 34 6.2.1 74LS164 概述34 6.2.2 连接说明.34 6.2.3 数码管的编码.35 7 7 7 7 系统仿真和硬件验证系统仿真和硬件验证 36 7.17.17.17.1 系统的仿真系统的仿真. 36 7.1.1 系统调试的方法.36 7.1.2 系统调试的软/硬件36 7.1.3 系统的有关仿真.36 7.1.4 仿真分析.37 7.27.27.27.2 系统的硬件验证系统的硬件验证39 7.2.1 单元电路的调试.39 7.2.2 系统的联合调试.40 7.2.3 系统的硬件验证.40 7.37.37.37.3 数据测试数据测试. 40 7.3.1
14、 数据记录.40 7.3.2 数据分析.41 结结 论论 42 附录附录 A A A A:本设计:本设计 FPGAFPGAFPGAFPGA 的的 VHDLVHDLVHDLVHDL 源代码源代码 45 附录附录 B B B B:单片机的汇编语言源程序清单:单片机的汇编语言源程序清单.51 附录附录 C C C C:适合于:适合于 QuartusQuartusQuartusQuartus的部分器件引脚对照表的部分器件引脚对照表67 附录附录 D D D D:系统总图:系统总图.67 参考文献参考文献 69 致致 谢谢 70 1绪论 1 1 1 1 1绪论绪论绪论绪论 1.1 课题背景 1.1.1
15、研究意义 在电子测量技术中,频率测量是最基本的测量之一。频率是信号的重要参数之一,如何 获得这一准确数据已经在信息领域显得越来越重要了。相位测量在信号提取、检测、处理等 方面有着重要的应用。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。 相位差是工业测控领域经常需要测量的参数,如电力系
16、统中功率因数的测量、铁路系统 中相敏轨道电路相位差的测量以及科氏质量流量计中的相位差测量等等。 1而相位差的测量又 不同于传统的电压、电流信号或物位、温度量的测量。首先,相位差信号依附于电压、电流 信号中,如何剔除电压、电流、频率变化对相位差测量的影响是相位差测量中很重要的一个 方面;其次相位差是一个比较量,测量两路信号之间的相位差不仅需要保证两路信号的频率 相同,而且要排除由于两路信号的幅值等其它因素不一致而对测量造成的影响。因此,如何 准确可靠地测量相位差是值得研究的课题。 1.1.2 研究现状、水平及发展趋势 本设计采用 EDA(Electronic DesignAutomation)技
17、术,将 FPGA 与单片机相结合来实现 的。 EDA 技术就是依赖功能强大的计算机, 在 EDA 工具软件平台上, 对以硬件描述语言 HDL (Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑编 译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合(布局布线) ,以及逻辑优化和仿真测试,直 至实现既定的电子线路系统功能。 EDA 工程在我国尚未普及,电子行业的专业人员、电子和计算机专业的大学生以及研究 生亟需掌握 EDA 工程的理论、方法和技术。2 1测频 常用的测频法和测周期法在实际应用中具有较大的局限性,并且对被测信号的计数存在 1 个字的
18、误差。而在直接测频方法的基础上发展起来的等精度测频方法消除了计数所产生的 误差,实现了宽频率范围内的高精度测量,但是它不能消除和降低标频所引入的误差。采用 相检宽带测频技术,不仅实现了对被测信号的同步,也实现了对标频信号的同步,大大消除 了一般测频系统中的1 个字的计数误差,并且结合了现场可编程门阵列(FPGA) ,具有集成 度高、高速和高可靠性的特点,使频率的测量范围可达到 1Hz2.4GHz,测频精度在 1s 闸门下 1绪论 2 达到 1011 数量级。 频率测量是电子测量中经常遇到的问题,如何提高频率测量的准确度是关键。通常采用 的方法有如下两种:低频端测周期高频端测频和多周期同步测量频
19、率。采用低频端测周期高 频端测频时存在中界频率测量误差很大即测量死区问题,也就是说不论低端和高端测量准确 度有多高,中界频率测量误差总是最大。因此从理论上讲频率的测量准确度很难提高到某个 数量级;多周期同步测频法则不存在这样的问题,只要周期数足够大,测量的准确度总可以 提高到一定程度。但多周期同步测量实际上只是对被测信号进行同步,对时钟信号并未同步, 因此它只是一种准同步。根据多周期同步测频原理及测量误差,目前已提出完全同步频率测 量的新方法,最后使用单片机实现这种测量,使测量频率的准确度大大提高。完全同步测量 就是门控信号与被测信号和标准晶振信号都相关,测量开始和结束时门控信号与被测信号和
20、标准晶振信号都同步,也就是门控时间既是被测信号周期的整数倍又是晶振信号周期的整数 倍。这样在门控时间内被测信号和标准晶振信号都没有量化误差,从而实现两信号的完全双 同步。利用相位检测技术控制同步触发即可实现。当两路信号在某点相位相同,经过若干周 期后它们在同一相位点相位又相同,那么这段时间两路信号一定都经过整数个周期(但周期数 不一定相同),用它作为同步门控时间控制两个主门的开启,两个计数器都不会产生1 误差, 从而实现真正意义上的同步测量。 2测相位差 两种常见的基于过零检测的相位差测量方法 1)基于异或门的测量方法:两路同频信号经过零比较后,得到两路同周期的方波。该两 方波经异或后得到的脉
21、冲宽度与信号周期的比值(占空比)即对应为两信号的相位差。这里 的异或门相当于鉴相器。对脉宽信号的处理有两种方法:a.电压测量法。这种方法需要把脉 冲宽度转换成积分电容上的电压信号,然后再通过 A/D 转换成数字量。由于采用电容充放电 的测量形式,故不能用于较高分辨率的测量。这种模拟测量法现已被下述数字法代替。b.数 字计数法。通过微处理器或定时、计数器对脉冲宽度计数,这种方法比电压测量法的精度有 了一定的提高,但仍存在一些问题,如需要同步地获取异或后脉冲宽度和信号的周期并测量 它们,这对于大多数微处理器来说是比较困难的。 2)直线近似法:此方法用于双极性信号的测量,故不能用于方波的相位差测量。
22、 传统相位差测量方法的测量误差主要来自于对模拟信号的处理过程中,如模拟滤波器在 滤除干扰的同时由于元件参数的离散性,测量元件受环境的影响以及元件老化带来的影响都 会引入测量误差;又如信号经过比较器时由于比较器门限电压的存在而造成测量误差,这些 误差都很难准确估量,也很难消除。 目前较准确的测量以基于 DSP 的相位差的测量为代表,如基于函数计算的测量方法,基 于傅立叶变换的测量方法等。 1绪论 3 1.2 课题核心 本设计采用单片机和现场可编程门阵列(FPGA)作为低频数字相位测量仪的核心部分。 考虑到 FPGA 具有集成度高,I/O 资源丰富,稳定可靠,可现场在线编程等优点,而单片机具 有很
23、好的人机接口和运算控制功能,本系统拟用 FPGA 和单片机相结合,构成整个系统的测 控主体。其中,FPGA 主要负责测量两个同频待测正弦信号的频率和相位差所对应的时间差, 而单片机则负责读取 FPGA 测量到的数据,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。整个系 统发挥了 FPGA 和单片机各自的优势,具有高速而可靠的测控能力,具有比较强的数据处理 能力,键盘输入及显示控制比较灵活,系统可扩展性能比较好,整个系统性能价格比比较好。 2系统设计 4 2 2 2 2系统设计系统设计系统设计系统设计 2.1 设计要求 设计
24、并制作一个低频数字相位测量仪,其设计要求如下: (1)频率范围:20Hz20kHz。 (2)相位测量仪的输入阻抗100k。 (3)允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在 15V 范围内变化。 (4)相位测量绝对误差2。 (5)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。 2.2 总体设计思想 根据系统的设计要求,本系统可分为三大基本组成部分:数据测量电路、数据运算控制 电路和数据显示电路。考虑到 FPGA 具有集成度高,I/O 资源丰富,稳定可靠,可现场在线编 程等优点,而单片机具有很好的人机接口和运算控制功能,本系统拟用 FPGA 和单片机相结 合
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