低频数字式相位测量仪设计报告1

附件二：电子设计竞赛设计报告--范例低频数字式相位测量仪摘要：本设计给出了以凌阳16位单片机Spce061A为核心的数字式相位测量的基本原理与实现方案。

该系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三个模块构成，分别由两块单片机独立地实现控制与显示功能。

采用DDS技术生成两路正弦波信号，并通过改变存储器中数据读取的起始地址来实现数字移相的功能，用Ф-T变换技术来实现相位差的测量，使得测量分辨率精确到0.1º，测得的频率与相位差值送入LCD进行显示，加入红外键盘以及语音播报的功能，使得系统具有智能化、人性化的特色。

关键词：相位测量频率测量数字移相DDS 语音播报引言：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，我们设计并制作了基于Spce061A凌阳16位单片机为核心的低频数字式相位测量系统。

一方案论证与设计1 相位测量方案方案一：将被测的两路正弦波信号经比较器整形成方波信号，利用异或门电路进行鉴相处理，将得到的脉冲序列经过RC平滑滤波取出其直流分量，该直流电平的幅值与两路信号的相位差成正比，将此信号送入A/D转换器由单片机进行运算处理从而计算出相位差值。

方案二：采用脉冲填充计数法，将正弦波信号整成方波信号，其前后沿分别对应于正弦波的正相过零点与负相过零点，对两路方波信号进行异或操作之后输出脉冲序列的脉宽可以反映两列信号的相位差，以输入信号所整成的方波信号作为基频，经锁相环倍频得到的高频脉冲作为闸门电路的计数脉冲，由单片机对获取的计数值进行处理得到两路信号的相位差。

方案三：鉴相部分同方案二，将两路方波信号异或后与晶振的基准频率进行与操作，得到一系列的高频窄脉冲序列。

FPGA的低频数字相位开题报告《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。

其中数据釆集电路用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，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。

该系统由数据釆集电路、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。

低频数字式相位测量仪摘要本系统以AT89S51单片机为核心，由相位测量仪、移相网络、数字式移相信号发生器三个模块组成。

数字式相位测量仪实现了对20Hz到20KHz的峰-峰值为1V到5V的正弦信号、方波信号等进行精确的测频、测相的功能；移相网络则采用RC移相网络来实现，在100Hz、1KHz、10KHz三种情况下，通过切换电阻值的方法实现了最大相移±45°的调整。

被测信号的相位差、频率则通过数码管显示。

整个系统设计硬件结构简单，软件采用汇编语言实现，程序简单可读性强，效率高。

与传统的电路系统相比，具有处理速度快、稳定性高、性价比高的特点。

关键词：低频；相位测量；单片机；可编程逻辑器件AbstractThis is a system whose core is based on AT89S51 single chip and is composed of three modules by the phase measurement device，phase-shifting network，digital phase shifting generator.The digital phase measurement device can precisely measure the frequency and phase of sine signal from 20Hz to 20KHz with the voltage amplitude from 1Vp-p to 5Vp-p. The phase-shifting network uses the RC net. By changing the value of resistor, it can make the phase shift 45 degrees at most . The data are displayed on numberal displayer. Hardware is simple and software is realized by compiling language.Compared with traditional circuit, it has many advantages of faster processing speed, good stability and high ratio between property and price.Key W ords: low frequency; phase measure; MCU; CPLD目录1 引言 (1)2 总体设计 (2)2.1 方案论证 (2)2.1.1 移相网络 (2)2.1.2 数字式相位测量仪 (3)2.1.3 数字式移相信号发生器 (6)3 硬件设计 (8)3.1 移相网络 (8)3.2 相位测量仪 (11)3.2.1 信号调理部分 (11)3.2.2 CPLD测量模块 (12)3.2.3 单片机控制模块 (13)4 软件设计 (17)4.1 CPLD测量模块 (17)4.2 单片机控制模块 (19)5制作和调试 (21)5.1 硬件部分的制作和调试 (21)5.2 软件部分的制作和调试 (22)6总结 (22)致谢 (24)参考文献 (25)附录1 系统实物图 (26)附录2 实验原理图 (27)附录3 毕业设计作品说明书 (28)1 引言随着科学技术的突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。

低频数字式相位测量仪制作报告摘要本系统由低频数字相位频率测量仪，输入移相网络和数字式移相信号发生器组成。

利用CPLD，单片机控制模块实现了高精度的频率相位测量。

数字式移相信号发生器采用直接数字频率合成（DDFS）技术，输出频率范围宽，控制精度高。

由于在DDFS系统中采用了双D/A输出形式，信号幅度采用数字调节方式，输出信号幅度稳定。

移相网络的输入采用了自动增益控制（AGC），实现了高达48dB的宽范围输入，实现信号的自动稳幅输出。

此外，本系统友好的人机界面，合理实用的功能扩展，使整个系统更利于实际使用。

一．方案设计与论证1.相位频率测量部分方案一：对输入的两路正弦信号分别进行过零比较，并对生成的两路方波信号进行异或运算，得到占空比与相位差成正比的脉冲信号。

将该正弦送入单片机系统，对信号的脉宽进行测量，经计算得到输入的两路正弦信号的相位差。

单片机系统直接对过零比较后的方波信号计数，得到输入信号频率。

经单片机系统处理后，显示测量结果。

此方案电路相对简单，容易实现，但是受到单片机工作速度的限制，精度不高。

方案二：对输入的两路正弦信号分别进行过零比较，并对生成的两路方波信号进行异或运算，得到占空比与相位差成正比的脉冲信号。

由CPLD对相位差脉冲信号和频率信号进行计数，将计数结果送入单片机，单片机经过简单计算后显示测量结果。

此方案可以提高系统的测量精度，单片机要实现的功能相对简单，可以实现友好的人机界面。

缺点是电路相对复杂，成本较高。

系统框图详见图2-1。

综合考虑，这里采用了方案二。

2.移相网络部分方案一：直接采用题目中提供的参考电路。

此电路实现简单，但对于不同幅度的输入信号，不能做到自动稳幅输出。

对于小信号输入，无法满足题目输出峰-峰值0.3～5V的要求，除非采用可变增益放大器，在没有单片机控制的情况下，显然带来诸多不便。

方案二：以题目中提供的参考电路为基础，在信号输入前端加入自动增益控制电路（AGC），以适应各种幅度的信号输入。

低频数字式相位测量仪摘要本低频数字式相位测量仪由数字式移相信号发生器、模拟移相网络、数字相位测量部分以及人机接口等模块组成。

数字式移相信号发生器采用双路时统DDS技术，基于FPGA实现。

相位测量部分采用基于相位—时间变换的等精度测量技术，由单片机控制CPLD实现。

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，总体上较好地完成了题目基本和发挥部分的要求。

并增加了扫频、扫相、扫幅及相位打印功能，扩展了模拟移相器移相范围及相位显示形式。

关键词：时统DDS数字移相等精度数字测相 FPGA/CPLD一.方案论证与选择根据题目要求本系统可分解为数字式移相信号发生器、模拟移相网络及相位测量部分等三个模块。

模拟移相网络已由题目给出，以下对另两部分实现方案进行论证。

（一）数字式移相信号发生器方案论证方案一：用PLL 频率合成技术产生正弦波信号，将其通过FFT 变换到频域，再乘以一定的旋转因子，即相当于时域的时延（移相）。

不同的旋转因子对应不同的移相，但对不同频率的输入信号进行移相时，需要调整滤波器参数或改变滤波器采样率。

前者运算量较大，后者需要用到PLL 技术，硬件繁琐。

方案二：应用单片机产生移相信号。

将正弦波信号数字化，形成数据表存入FLASH 或EPROM 等非易失性存储芯片中，单片机交叉读出该数据表中的数据，形成两路波形信号，送往两路D/A ，得到两路具有一定相位差的正弦波。

这种处理方式的实质是将数据地址的偏移量映射为信号间的相位差。

但受单片机速度限制，这种方法难以产生较高频率的信号。

方案三： 采用DDS 技术产生移相信号。

1、DDS 频率合成DDS 频率合成的基本原理是使用稳定的参考时钟源作为抽样时钟，通过地址累加来寻址波形查找表得到波形的幅度抽样值，然后将抽样值经D/A 转换和低通滤波输出平滑的波形。

图1.1给出了DDS 的工作原理框图。

相位累加器波形查找表DAC低通滤波器系统时钟K频率控制字NN Hf0图1.1 DDS 基本原理框图图1.1中相位累加器（N 为位数）以频率控制字K 为间隔对地址进行累加，将累加结果的最大有效位数H 作为ROM 查找表的地址（ROM 中存储波形数据），通过D/A 转换将所查地址单元的波形数据转化为模拟量，再由低通滤波器滤出其基波成分。

低频数字式相位测量仪四院二队李陆洋刘虎生武龙龙摘要：本系统以51单片机以及FPGA为核心，由模拟移相网络、数字式相位测量仪(含测频功能)、数字式移相信号发生器三个独立模块组成。

相位测量仪的核心为数字鉴相器及高速计数器，频率计采用高精度恒定误差测频法。

信号发生器使用直接数字频率合成(DDFS)技术，并使用单片机数码管作为显示模块，操作简单。

系统的测量精度及其它指标均达到了设计要求。

方案论证与比较一、测频方案论证方案一：采用分频段测频、测周法对于频率为20—20KHz的正弦波信号，可以采用传统的测频方法。

首先找出中届频率fm,对于fx>fm,采用测频法；对于fx<fm，采用测周法，然后根据频率定义即可求得。

方案二：采用高精度恒误差测频法计数器1和计数器2均有使能端和清零端。

控制电路产生的门控信号接到D触发器的数据端D，触发器的Q端接两个计数器的使能端。

输入信号经过迟滞比较器转换为同频率的方波，即被测信号。

门控信号是宽度为Tg的脉冲。

当单片机发出“开始测量相位”命令后，控制电路先输出一个清零脉冲，将两个计数器清零，随后并将门控信号置为高电平。

这时D触发器的Q端为低电平，两个计数器尚未开始计数。

被测信号的上升沿到来时，D触发器翻转，其Q端变为高电平，同时启动两个计数器。

计数器1和计数器2分别对标准频率方波信号(频率为f0)和被测信号(频率为fx)同时计数。

自门控信号被置为高电平起，经过Tg时间，控制电路将门控信号置为低电平。

被测信号的下一个上升沿到来时，两个计数器同时停止计数。

仿真时序如下图所示：这样一来，两个计数器的工作时间Tw恰好为被测信号周期的整数倍。

工作时序见图5，图中可以看出，实际闸门时间Tw与预置闸门时增加Tg可提高测量精度。

本设计中取100ms，f0为10MHz，可以精确测量频率大于10Hz的信号，误差不大于10～5。

我们用CPLD来做高速计数器，单片机用软件实现高精度浮点运算并负责显示输出。

低频数字式相位测试仪的研究一、设计背景和意义：相位测量技术的应用已深入到许多领域，广泛应用于国防、科研、学校和厂矿，传统相位测量使用的是指针式仪表，但随着电子技术的发展，数字显示相位仪不断涌现。

利用了51单片机的高速硬件捕获功能来实现频率和相位的测量;并利用A/D转换器对数据进行进一步的处理，在高低频段分别采用多次测量、滤波算法、矢量分解、便宜修正等算法消除干扰提高精度，采用大屏幕液晶显示测量详细信息;利用AVRmega8515配合16.384MHZ的高速晶振，采用软件DDFS实现双路数字式移相信号发生器，使用优化算法是当今科技发展对低频数字式相位测量仪的新要求。

二、设计的主要内容以及具体要求：2.1设计的主要内容低频数字是相位测量仪实际需要设计和制作的三个独立的部分：（1）数字相位测量仪；（2）数字式移相信号发生器；（3）移相网络。

本系统由两块独立的CPU组成。

本系统以51单片机以及可编程逻辑器件为核心，由模拟移相网络、数字式相位测量仪（含测频功能）、数字式移相位测量仪的核心为数字鉴相器及高速计数器，频率计采用高精度恒定误差测频法。

信号发生器使用直接数字频率合成（DDFS）技术，并使用汉字液晶显示模块，操作界面友好。

系统的测量精度及其它指标均达到了设计要求。

2.2设计的具体要求（1）设计并制作一个相位测量仪a．频率范围：20Hz～20KHz。

b．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V～5V范围内变化。

c. 相位测量仪的输入阻抗≥100K。

d. 相位测量绝对误差≤。

e. 具有频率测量及显示功能。

f. 相位差数数字显示：相位读数为～，分辨力为。

（2）移相网络a．输入信号频率：100Hz，1K，10Kz。

b．连续相移范围：～c. A`,B`输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。

十进制数字显示，显示刷新时间1～10秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。

三、设计的实现方案：方案论证数字移相技术的核心是：先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。

低频数字式相位测量仪摘 要此系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分组成。

为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障，本电路两块T89C52为核心控制器件分别控制相位测量、数字式移相信号发生,在数字式移相信号发生部分采用了锁相技术、CPLD 等技术, 使输出波形精度大大提高，并可对频率自动校验，提高频率稳定性。

一、题目要求（一） 任务设计并制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分，示意图如下：图2 移相网络（二） 要求1、 基本要求（1）设计并制作一个相位测量仪（参见图1）a. 频率范围:20H z ～20ＫH z 。

b. 相位测量仪的输入阻抗≥100K Ω。

c. 允许两路输入正弦信号峰—峰值可分别在1V ～5V 内变化。

图1 相位测量仪图2 数字式移相信号发生器d.相位测量绝对误差≤2°e.具有频率测量及数字显示功能.f.相位差数字显示:相位读数为0°～359.9°，分辨率为0.1°。

（2）参考图2制作一个移相网络a.输入信号频率:100H z、1KH z、10ＫH z。

b.连续相移范围：—45°～+45°。

c.A¹、B¹输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3V～5V内变化。

2、发挥部分（1）设计并制作一个数字式移相信号发生器（图3），用以产生相位测量仪所需的输入正弦信号，要求：a.频率范围:20H z～20ＫH z，频率步进为20H z，输出频率可预置。

b.A、B输出正弦信号峰—峰值可分别在0.3V～5V内变化。

c.相位差范围0°～359°，相位差步进为1°，相位差可预置。

d.数字显示预置的频率、相位差值。

（2）在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输入正弦信号峰—峰值至0.3V～5V范围。

（3）用数字移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位差值和不同幅度进行校验。

毕业设计论文《低频数字式相位测量仪》摘要该数字式相位测量仪以单片机 (89c52) 为核心 , 通过高速计数器 CD4040 为计数器计算脉冲个数从 , 而达到计算相位的要求 , 通过 8279 驱动数码管显示正弦波的频率，不采用一般的模拟的振动器产生 , 而是采用单片机产生 , 从而实现了产生到显示的数字化 . 具有产生的频率精确 , 稳定的特点 . 相移部分采用一般的 RC 移相电路 , 节省了成本。

一方案论证与比较 :1 常见正弦信号的测量方法 :方案一：采用模拟分离元件如二极管，三极管等非线性元件，实现频率的测量，检相的功能，使用起来方便，价格便宜，但采用分离元件由于分散性太大，不便于集成及数字化，而且测量误差大。

方案二：采用集成的检相器，检频器实现频率及相位的测量。

这种方法的实现框图如下：这种方法虽然可实现比较精确的测量，但由于模拟信号易受外界的干扰，不易调节，无法实现智能化，数字化的缺点，一般在要求较低的情况下使用。

方案三：此方案采用高速信号发生器产生 20MHz 的高频信号，其主要特点是采用 CD4040 高频计数器结合单片机，利用计数脉冲实现测量相位与频率的目标。

这种方法克服了模拟电路的缺点，实现了数字化与集成化。

本设计采用了这种方法。

这种方案的组成框图：二系统总体设计按照题目要求，我们设计的相位测量系统包括三部分：正弦波产生系统（包括频率调整电路），移相电路和相位显视系统，其总体框图如下：三各部分硬件电路设计及参数计算1、正弦波产生电路•方案一：利用 8038 芯片或 MAX038 可以实现压控的函数发生器通过改变少量的外围元件，可实现正弦波，方波，三角波，并可实现频率调节，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使使用单片函数发生器，参数也与外部元件有关，外接的电阻，电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度差，精度低，抗干扰能力差，调节困难，成本也高。

而且灵活性差，不能实现智能化。