基于AVR单片机与FPGA的低频数字式相位测量仪

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  • 摘要:提出了以AVR ATmega128单片机和Altera公司的Cyclone系列EP1C3T100为核心的系统设计方案。分析了数字式低频相位测量仪的测量原理和测量误差及其消除的方法。利用单片机强劲的运算、控制功能和FPGA运算速度快、资源丰富的特点。主要介绍了系统的软硬件设计。实践表明,此方案设计的相位仪对低频正弦波信号实现精确测频和测相位差,具有处理速度快、稳定可靠、精度高等优点。
    关键词:数字相位仪;单片机;FPGA;误差;频率;相位差

        在工业领域中经常要用到低频数字式相位仪来精确测量两信号之问的相位差,比如在电力系统、频率特性的研究、激光测距等领域均有广泛的应用,相位检测的精度直接决定系统的整体性能。这就要求测量仪逐渐向智能化和测试自动化方向发展,本设计采用MCU和FPGA相结合的系统方案,以AVR单片机ATmega128和Altera公司的Cyclone系列EP1C3T100为核心,充分发挥各自的优势,如AVR单片机先进的RISC结构和强劲的运算、控制功能,Altera公司的FPGA运算速度快、资源丰富以及易编程的特点,合理设计,此方案的相位仪具备速度快、稳定可靠、精度高等优点,而且容易实现“智能化”和“自动化”。

    1 系统方案设计
    1.1 测量方法的比较与选择
        目前相位测量的方法主要有两种:
        1)DFT测相法即将待测信号通过A/D转换得到f(n),f(n)按离散傅里叶变换得出离散频谱F(k),f(n)和F(k)为傅里叶变换对,通过运算得到两路信号的基波相位,从而计算出相位差。DFT测相法的精度受限于ADC的采样精度,需要高速ADC对信号进行过采样,测量方案复杂,可以通过采集卡在计算机上实现虚拟仪器,所以主要应用在精度要求很高的场合和虚拟仪器中。
        2)填充计数测相法 即两路同频的正弦信号经过信号整形电路后得到方波信号,方波信号经过鉴相器后,得到两路输入信号的相位差信号,用固定频率的采样脉冲进行填充并计数,从而计算出相位差。填充计数测相法主要应用在要求一定的精度,测量的频率不是太高但实时性要求很强的场合,易于实现数字化和自动化,低频数字相位仪适合用填充计数法。
        填充计数测相法的基本算法:若正弦波整形后的方波信号频率为f,周期为T,采样脉冲周期为TC,方波一个周期内对采样脉冲计数为,n则被测信号频率f=1/T=1/nTC。同样的方法测出两个同频正弦波起点之间的时间差为△t,则两信号的相位差△θ=△t·360°/T。
    1.2 系统方案的确定
        由系统测量方法可知,数据需要采集、运算及显示,考虑到Field Programmable Gate Array(FPGA)集成度高、I/O资源丰富、稳定可靠,选择余地大,外围元件很少,近年来价格下降等优势,以及MCU良好的人机接口和运算控制功能,所以本系统由MCU和FPGA相结合构成测控主体。FPGA负责采集测频和测相位差的脉冲信号,MCU负责读FPGA采集的数据,计算待测信号频率和相位差并在LCD上显示。

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