基于FPGA的高精度相位測量儀的設(shè)計(jì)方案

引言

　　隨著集成電路的發(fā)展，利用大規(guī)模集成電路來完成各種高速、高精度電子儀器的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種行之有效的方法。采用這種技術(shù)制成的電子儀器電路結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、測量精確且易于調(diào)試。本文采用AlteraCycloneII系列FPGA器件EP2C5，設(shè)計(jì)了高精度相位測量儀。測量相位差所需的信號源在FPGA內(nèi)部運(yùn)用DDS原理生成，然后通過高速時鐘脈沖計(jì)算兩路正弦波過零點(diǎn)之間的距離，最后通過一定的運(yùn)算電路得到最終相位值，測相精度為1°。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　該基于FPGA的相位測量儀，硬件組成包括FPGA、高速DAC以及電壓比較器等部分。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1相位測量儀硬件結(jié)構(gòu)圖

　　該測量儀由按鍵來預(yù)置正弦波的頻率及相位。通過FPGA內(nèi)部的控制模塊來計(jì)算并產(chǎn)生正弦波所需的頻率控制字和相位控制字，然后將控制字輸入DDS模塊以產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)10位高速DACTHS5651輸出兩路正弦波。在測相位差時，將圖1中移相正弦波輸出分為兩路，其中一路直接經(jīng)電壓比較器LM311整形后輸入測相模塊；另外一路先通過被測電路，然后再經(jīng)電壓比較器整形后輸入測相模塊，從而得到正弦波經(jīng)被測電路后產(chǎn)生的相移。

　　基于FPGA的硬件電路設(shè)計(jì)

　　DDS移相信號源設(shè)計(jì)

　　DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形，本系統(tǒng)的移相信號發(fā)生模塊如圖2所示。

　　圖2基于DDS的數(shù)字移相信號發(fā)生模塊框圖

　　圖2中，加法器與寄存器級聯(lián)構(gòu)成相位累加器。通過時鐘脈沖觸發(fā)相位累加器，從而將頻率控制字不斷累加。相位累加器產(chǎn)生一次溢出，就完成一次周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期。

　　用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器的相位取樣地址，把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值經(jīng)查找表查出，從而完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。然后將波形存儲器的輸出送到DAC，通過DAC將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成合成頻率的模擬波形。

　　圖2中FWORD是10位頻率控制字；PWORD是10位相移控制字，用來控制正弦信號輸出的相移量；SINROM用來存放正弦波數(shù)據(jù)，有10位數(shù)據(jù)線和10位地址線。其中數(shù)據(jù)文件是MIF文件(數(shù)據(jù)深度1024，數(shù)據(jù)類型為10進(jìn)制數(shù))，可由Matlab生成，存放數(shù)據(jù)的單元采用定制ROM的方法生成；POUT和FOUT都為10位輸出，分別和兩個高速DACTHS5651相連。
　控制模塊的生成

　　在產(chǎn)生波形的過程中，DDS模塊所需的頻率和相位控制字由在FPGA內(nèi)部編寫的控制模塊來給定?？刂颇K的頂層原理框圖如圖3所示。

　　圖3控制模塊頂層原理框圖

　　圖3中，B1、C10、D100、P1K分別為頻率步進(jìn)輸入端；Re為復(fù)位端；PW1、PW10分別為1?10?南轡徊澆?淙搿Ｆ渲衒bcout為頻率控制字計(jì)算模塊，完成由頻率步進(jìn)值到二進(jìn)制頻率控制字的轉(zhuǎn)換。

　　cout360為相位輸入計(jì)算模塊，由相位輸入端的脈沖輸入計(jì)算出實(shí)際的移相值(0麀359)。add_data_rom是存放相位控制字的ROM，其數(shù)據(jù)文件是MIF文件，內(nèi)部360個地址值分別對應(yīng)0麀359?南轡，每個地址中的數(shù)據(jù)為每個相位值對應(yīng)的正弦波ROM的地址值。由于正弦波ROM將一個波形分成了1024個點(diǎn)，則0麀359?南轡恢刀雜α薙INROM中的360個點(diǎn)?？紤]到1024/360=2。84非整，為了減小移相誤差，提高移相精度，本設(shè)計(jì)中采用分段處理的方法，將360個地址分成60組。第15、30、45、60組的6個地址中點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離都為3；其余各組前5點(diǎn)之間的點(diǎn)距為3，第5點(diǎn)與第6點(diǎn)之間的點(diǎn)距為2。

　　相位測量模塊設(shè)計(jì)原理

　　本系統(tǒng)的相位測量采用由高速時鐘脈沖測量兩路波形過零點(diǎn)之間距離的方法。相位測量模塊原理框圖如圖4所示。

　　圖4相位測量模塊原理框圖

　　圖4中，A、B為兩路方波輸入，CLK為50MHz時鐘輸入，dfd2塊為下降沿觸發(fā)的2分頻模塊。A、B經(jīng)2分頻的目的是使測相范圍由0麀180?┐蟮0麀360??OR為異或門，其輸出信號的脈寬為（b-a）。clxw為一高速計(jì)數(shù)器，通過25MHz的高頻時鐘來計(jì)算（b-a）的長度。fb360模塊為倍乘模塊，主要完成（b-a）×360的運(yùn)算。bpsc模塊為分頻模塊，將25MHz的時鐘信號進(jìn)行（b-a）×360倍的分頻，使其輸出信號脈寬為Tclk×（b-a）×360（Tclk為25MHz的時鐘周期）。xwc為相位差計(jì)數(shù)模塊，通過A相輸入脈沖，計(jì)算Tclk×(b-a)×360的長度，然后完成（b-a）×360/a的計(jì)算，進(jìn)而得出相位差值輸出，同時該模塊還將測得的相位差值送到數(shù)碼管顯示。

　　在對該模塊進(jìn)行仿真時，人為設(shè)定了頻率為10KHz，相位差為72。

　　系統(tǒng)驗(yàn)證調(diào)試

　　在整個系統(tǒng)的驗(yàn)證中，由外部按鍵通過控制模塊來設(shè)定波形的頻率和相位值，并通過將DDS模塊的輸出端FOUT和POUT外接10位DACTHS5651來產(chǎn)生波形。通過在示波器觀察兩路波形發(fā)現(xiàn)，波形比較穩(wěn)定，頻率與設(shè)定值一致。此外，為了測量DDS模塊產(chǎn)生的移相是否正確，還人為的通過相位輸入端設(shè)定相移值，并將參考波形輸出端和移相輸出端輸出的波形經(jīng)整形后，用測相模塊測量兩路波形的相位差，通過硬件調(diào)試發(fā)現(xiàn)測得的相位差與設(shè)定的相位差完全一致，從而證明了該系統(tǒng)是精確、穩(wěn)定的。

　　結(jié)語

　　本系統(tǒng)選用Altera公司的quartusII4。1作為硬件開發(fā)平臺，并采用VHDL語言進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中按功能劃分模塊，方便了調(diào)試與修改，且易于升級。同時，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還較多采用了同步時序電路來實(shí)現(xiàn)各個進(jìn)程模塊的功能，從而有效避免了電路毛刺現(xiàn)象。此外，在相位測量模塊中，相位差計(jì)數(shù)塊還帶有鎖存功能，從而有利于輸出的相位差值顯示穩(wěn)定。