1、 1 基于基于 FPGAFPGA 的低频数字的低频数字相位测量仪设计开题报告相位测量仪设计开题报告 一、课题的目的和意义课题的目的和意义 1 1研究目的研究目的 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
2、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 2研究意义研究意义 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
3、，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，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
4、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 2 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
5、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
6、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三、研究（设计）内容和拟解决的关键问题 1 1研究内容研究内容 （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/CPLD 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 2研究途径研究途径 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
