基于AVR單片機與FPGA的低頻數(shù)字式相位測量儀

摘要：提出了以AVR ATmega128單片機和Altera公司的Cyclone系列EP1C3T100為核心的系統(tǒng)設(shè)計方案。分析了數(shù)字式低頻相位測量儀的測量原理和測量誤差及其消除的方法。利用單片機強勁的運算、控制功能和FPGA運算速度快、資源豐富的特點。主要介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。實踐表明，此方案設(shè)計的相位儀對低頻正弦波信號實現(xiàn)精確測頻和測相位差，具有處理速度快、穩(wěn)定可靠、精度高等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：數(shù)字相位儀；單片機；FPGA；誤差；頻率；相位差

在工業(yè)領(lǐng)域中經(jīng)常要用到低頻數(shù)字式相位儀來精確測量兩信號之問的相位差，比如在電力系統(tǒng)、頻率特性的研究、激光測距等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，相位檢測的精度直接決定系統(tǒng)的整體性能。這就要求測量儀逐漸向智能化和測試自動化方向發(fā)展，本設(shè)計采用MCU和FPGA相結(jié)合的系統(tǒng)方案，以AVR單片機ATmega128和Altera公司的Cyclone系列EP1C3T100為核心，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，如AVR單片機先進的RISC結(jié)構(gòu)和強勁的運算、控制功能，Altera公司的FPGA運算速度快、資源豐富以及易編程的特點，合理設(shè)計，此方案的相位儀具備速度快、穩(wěn)定可靠、精度高等優(yōu)點，而且容易實現(xiàn)“智能化”和“自動化”。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計
1．1 測量方法的比較與選擇
目前相位測量的方法主要有兩種：
1)DFT測相法即將待測信號通過A／D轉(zhuǎn)換得到f(n)，f(n)按離散傅里葉變換得出離散頻譜F(k)，f(n)和F(k)為傅里葉變換對，通過運算得到兩路信號的基波相位，從而計算出相位差。DFT測相法的精度受限于ADC的采樣精度，需要高速ADC對信號進行過采樣，測量方案復(fù)雜，可以通過采集卡在計算機上實現(xiàn)虛擬儀器，所以主要應(yīng)用在精度要求很高的場合和虛擬儀器中。
2)填充計數(shù)測相法 即兩路同頻的正弦信號經(jīng)過信號整形電路后得到方波信號，方波信號經(jīng)過鑒相器后，得到兩路輸入信號的相位差信號，用固定頻率的采樣脈沖進行填充并計數(shù)，從而計算出相位差。填充計數(shù)測相法主要應(yīng)用在要求一定的精度，測量的頻率不是太高但實時性要求很強的場合，易于實現(xiàn)數(shù)字化和自動化，低頻數(shù)字相位儀適合用填充計數(shù)法。
填充計數(shù)測相法的基本算法：若正弦波整形后的方波信號頻率為f，周期為T，采樣脈沖周期為TC，方波一個周期內(nèi)對采樣脈沖計數(shù)為，n則被測信號頻率f=1／T=1／nTC。同樣的方法測出兩個同頻正弦波起點之間的時間差為△t，則兩信號的相位差△θ=△t·360°／T。
1．2 系統(tǒng)方案的確定
由系統(tǒng)測量方法可知，數(shù)據(jù)需要采集、運算及顯示，考慮到Field Programmable Gate Array(FPGA)集成度高、I／O資源豐富、穩(wěn)定可靠，選擇余地大，外圍元件很少，近年來價格下降等優(yōu)勢，以及MCU良好的人機接口和運算控制功能，所以本系統(tǒng)由MCU和FPGA相結(jié)合構(gòu)成測控主體。FPGA負責(zé)采集測頻和測相位差的脈沖信號，MCU負責(zé)讀FPGA采集的數(shù)據(jù)，計算待測信號頻率和相位差并在LCD上顯示。
所以，系統(tǒng)由4個部分組成：待測信號調(diào)理電路、FPGA數(shù)據(jù)采集電路、MCU數(shù)據(jù)運算控制電路和LCD數(shù)據(jù)顯示電路，如圖1所示。

2 測量誤差的分析與消除
相位測量儀的完善設(shè)計，不僅要有合適的測量方法和系統(tǒng)實現(xiàn)方案，還需要著重分析誤差產(chǎn)生的原因和確定消除的方法。
1)填充時鐘頻率(即數(shù)據(jù)采樣信號)的影響與確定本相位測量儀的測頻范圍為20 Hz～20 kHz，相位差的范圍為△θ=0°～359．9°，相位差的顯示分辨率為0．1°，要求測量相位的絕對誤差≤2。
被測頻率20 Hz≤f≤20 kHz，則周期50μs≤T≤50 ms。
T=50 μs，絕對誤差取0．1°～2°。
則填充時鐘信號周期：0.1°x50 μs／360°≤TC≤2°x50 μs／360°即：1／72(μs)≤TC≤1／3．6(μs)，可以得出填充時鐘頻率：
3．6 MHz≤fC≤72 MHz。
T=50ms內(nèi)對TC=1／3．6(μs)的填充脈沖計數(shù)，計數(shù)值Nmin=180000≤218；對TC=1／72(μs)的填充脈沖計數(shù)，計數(shù)值Nmax=3600000≤ 222。
本設(shè)計考慮MCU的計算及分頻取得信號的方便，填充時鐘信號頻率fC=20 MHz，測量絕對誤差1°，F(xiàn)PGA在20 MHz時鐘信號作用下對待測信號周期和相位對應(yīng)的時間差進行計數(shù)，F(xiàn)PGA采樣的二進制數(shù)據(jù)位為20 bit，可以保證測量的精度。
2)待測信號調(diào)理電路中零點漂移的影響與消除待測信號調(diào)理電路主要作用是把輸入信號整形變換成矩形波，通常采用過零比較器或者施密特觸發(fā)器。
過零比較器在零點電位附近可能會有振蕩，輸入信號在零點電位附近時，電壓比較器處于放大區(qū)，整形后的矩形波在邊沿會產(chǎn)生抖動，使系統(tǒng)無法進行測量。要消除這種抖動，可以采用施密特觸發(fā)器。為了保證測量的精度，施密特觸發(fā)器必須符合兩個條件：一是兩路被測信號幅度基本相等，二是門限電平要基本接近。
3)整形后方渡邊沿的陡峭程度的影響與消除信號經(jīng)過整形后輸出的矩形脈沖信號直接送給FPGA，則FPGA不能立即獲取穩(wěn)定的數(shù)字脈沖信號，就會使系統(tǒng)的精度受到很大影響。這主要是由于整形后方波邊沿不夠陡峭造成的。要解決此問題，一是選取具有較大壓擺率的器件，二是在比較器的后端加一級微分電路來提升脈沖信號的邊沿。
4)中低頻測量精度的影響與消除采用20 MHz數(shù)據(jù)采樣信號來循環(huán)計數(shù)被測信號的周期及相位差對應(yīng)的時間差，精度達到0．05 μs，20位數(shù)字量的單位是0．05μs。利用被測信號刷新采樣計數(shù)，實現(xiàn)高頻多測量，低頻少測量，時間計數(shù)精確可靠，這樣，F(xiàn)PGA可以為MCU提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。