全国大学生电子设计竞赛训练教程-7.2.2低频数字式相位测量仪（C题）修改稿.doc

7.2.2 低频数字式相位测量仪（C 题）设计与总结报告示例

（以下是一个实际的低频数字式相位测量仪（C 题）设计与总结报告）

低频数字式相位测量仪（C 题）

摘 要：设计了一个基于现场可编程门阵列（FPGA）的低频数字式相位测量仪。该测量仪

包括数字式移相信号发生器和相位测量仪两部分，分别完成移相信号的发生及其频率、相

位差的预置及数字显示、信号的移相以及移相后信号相位差和频率的测量与显示等功能。

其中数字式移相信号发生器可以产生预置频率的正弦信号，也可产生预置相位差的两路同

频正弦信号，并能显示预置频率或相位差值；相位测量仪能对移相信号的频率、相位差的

preconcerted frequency and two waves with preconcerted phase difference. It can continuously

change signal phases through phase shifting. And its phase measurement subsystem has functions

of measuring signal phase and phase difference of two signals. All of its three modules adopt

digital technology base on FPGA. This system is characteristic of its strong antijamming

performance and fine stability.

Key words：FPGA，Digital phase signal generator，Phase measurement system

（注意：以上内容在实际论文中为一页）

目 录

1. 系统设计………………………………………………………………………………………x

1.2.3 正弦波信号发生器方案……………………………………………………………………x

1.2.4 频率测量方案………………………………………………………………………………x

1.2.5 幅度控制方案………………………………………………………………………………x

1.2.6 滤波选择方案………………………………………………………………………………x

1.2.7 显示界面方案………………………………………………………………………………x

1.3 方案论证………………………………………………………………………………………x

1.3.1 总体思路……………………………………………………………………………………x

1.3.2 设计方案……………………………………………………………………………………x

2. 单元电路设计…………………………………………………………………………………x

2.1 低频率数字式相位测量仪……………………………………………………………………x

3. 软件设计………………………………………………………………………………………x

3.1 开发软件及编程语言简介……………………………………………………………………x

3.2 软件实现方法…………………………………………………………………………………x

3.2.1 等精度频率测量的实现……………………………………………………………………x

3.2.2 正弦波波形数据产生………………………………………………………………………x

3.2.3 程序流程图…………………………………………………………………………………x

3.3 程序清单及仿真……………………………………………………………………………x

…x

4.2.2 相位差测量…………………………………………………………………………………x

4.3 误差分析………………………………………………………………………………………x

4.3.1 相位误差…………………………………………………………………………………x

（注意：目录中的页码根据实际论文的页码编写，此处全部用 x 表示。）

1. 系统设计

1.1 设计要求

（注：设计要求与第 1 章 1.3.5 节内容相同，本书为节省篇幅，略）

1.2 方案比较

1.2.1 相位测量方案

相位测量方案的关键问题是相位测量方法的选择。

方案一：基于数字鉴相技术实现的方案

CD4046 鉴相电路输出经 AD0809 采样后的数据送到 FPGA，经过处理后，输出到 LED

显示相位，原理方框图如图 1.2.1 所示。

相位值

输入信号

图 1.2.1 数字鉴相技术实现相位测量原理方框图

方案二：利用高精度比较器实现的方案

将移相信号与基准信号分别送到两个过零比较器，使双极性的正弦波转换成单极性的

方波。若两路正弦波存在相位差，那么两路方波也必定存在相同的相位差值。将相位差值

对应的时间间隔作为 FPGA 对 50MHz 的脉冲数的计数时间，从而得到正弦波的相位差为：

其中，n 为方波相位差对应时间间隔内的脉冲数，N 为方波一个周期内的脉冲数。

上述两种方案从对硬件的要求而言，方案一在 FPGA 芯片基础上需要一片 CD4046 和

的移相器有许多不足之处，如：输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度

随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等。

采用阻容移相网络的基本原理简述如下：

由 RC 电路的原理可知，阻容移相网络在不同频率的正弦波电压通过 RC 电路时，输出

端的电压幅度和相位与输入不同。两种简单的移相电路如图 1.2.2 所示。

在图 1.2.2 中，图(a )的模和相角分别为：

（1.2.1）

图(b)的模和相角分别为：

有源移相原理图如图 1.2.3 所示。通过调整电路的电阻、电容等参数，电路可以实现

对特定频率信号的移相，但在被移相信号的频率发生变化时，模拟移相电路的相应参数势

必要随之调整。对于题目要求给出的 100Hz、1KHz、10KHz 的三个频率，可以用 FPGA 通

过四选一模拟开关 CD4052 来选择对应的三路模拟移相电路，可以满足题目中的基本要求。

但要在各个频率范围内实现高精度的移相，硬件电路将会很复杂。

方案二：采用数字移相技术，其核心是：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。高速 A/D 转换器 TLC5510 将输入的模拟信号转换成数字信号，并将采集

的数字信号通过 FPGA 进行移相处理后，送至高速 D/A 转换器 AD7524，从而把经过处理

的数字信号转化成量化的电流，再通过 TL082 高速运放，使电流信号转化为电压信号，从