基于FPGA的高精度相位測量儀的設(shè)計(jì)方案

　　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110的相位步進(jìn)輸入。其中fbcout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(0~359)。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(gè)地址值分別對應(yīng)0~359的相危每個(gè)地址中的數(shù)據(jù)為每個(gè)相位值對應(yīng)的正弦波ROM的地址值。由于正弦波ROM將一個(gè)波形分成了1024個(gè)點(diǎn)，則0~359的相位值對αSINROM中的360個(gè)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(gè)地址分成60組。第15、30、45、60組的6個(gè)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(shí)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(shí)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0~180擴(kuò)大0~360。XOR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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(gè)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(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還較多采用了同步時(shí)序電路來實(shí)現(xiàn)各個(gè)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。