基于FPGA平均值原理相位差計(jì)的設(shè)計(jì)

摘 要：相位差的測(cè)量在研究網(wǎng)絡(luò)特性中具有重要作用。設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量快速、精確的相位差計(jì)已成為生產(chǎn)科研中重要課題，提出了基于平均值原理相位差計(jì)的設(shè)計(jì)方法，采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)了平均值相位差計(jì)，重點(diǎn)對(duì)相位差測(cè)量中的超前與滯后判斷、輸入信號(hào)處理、相位差計(jì)數(shù)器、鎖存顯示等幾個(gè)數(shù)字環(huán)節(jié)進(jìn)行VHDL語(yǔ)言編程，頂層用原理圖方式構(gòu)建了相位差測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用邏輯資源少，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。
關(guān)鍵詞：電子測(cè)量；相位差；平均值原理；EDA技術(shù)

    相位差的測(cè)量在研究網(wǎng)絡(luò)特性中具有重要作用，如何快速、精確地測(cè)量相位差已成為生產(chǎn)科研中的重要課題。測(cè)量相位差的方法很多，有集成電路設(shè)計(jì)的，也有采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在普遍采用電子計(jì)數(shù)式的方法。但傳統(tǒng)的瞬時(shí)相位差計(jì)，需要用鎖相環(huán)電路鎖相跟蹤被測(cè)信號(hào)，廉價(jià)的低端FPGA芯片無(wú)法完成，同時(shí)被測(cè)信號(hào)的頻率范圍也限制在低頻內(nèi)，為了解決上述問(wèn)題，提出平均值相位差計(jì)的原理，并采用VHDL語(yǔ)言編程，F(xiàn)PGA芯片實(shí)現(xiàn)，巧妙地簡(jiǎn)化了鎖相跟蹤電路，擴(kuò)展了被測(cè)信號(hào)的頻率范圍，提高相位差計(jì)的性能參數(shù)，也大大降低了成本，具有很高的性?xún)r(jià)比。

1 總體設(shè)計(jì)方案與基本原理
    數(shù)字式相位計(jì)的基本原理如圖1所示，兩路同頻率的信號(hào)U1,U2通過(guò)脈沖形成電路，產(chǎn)生兩路過(guò)零脈沖信號(hào)U1,U2，再經(jīng)過(guò)相位差提取電路得到寬度等于兩信號(hào)相位差對(duì)應(yīng)時(shí)間寬度的信號(hào)Ug，最后通過(guò)閘門(mén)、計(jì)數(shù)、顯示就可以測(cè)量到相位差的數(shù)值。各點(diǎn)的波形分析如圖2中的U1，U2，U3，Ud，Ug，Ufc及Uf。其中：U1，U2是同頻率不同相位的兩個(gè)信號(hào)；△T表示兩個(gè)同頻率正弦波過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差；Ufc為經(jīng)過(guò)倍頻的計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)脈沖。設(shè)被測(cè)信號(hào)的頻率為f，信號(hào)的周期為T(mén)，若倍頻數(shù)為360×10k，則fc=360×10kf，假設(shè)在1個(gè)信號(hào)周期內(nèi)能計(jì)到的Ufc脈沖數(shù)為N，在相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間△T內(nèi)計(jì)到的Uk脈沖數(shù)為n，那么N=fcT=360×10kfT=360×10k，所以相位差ψ=360△T／T=360n／N=10-bn，即計(jì)數(shù)值n的數(shù)字就代表兩信號(hào)中相位差的度數(shù)；6表示小數(shù)點(diǎn)的位置。

    這種測(cè)量原理，必須保持fc與f的嚴(yán)格比例關(guān)系，因此必須用到鎖相倍頻電路，若用FPGA實(shí)現(xiàn)，就必須選用含鎖相環(huán)的高端芯片，成本提高；同時(shí)，由于．fc=360×lOkf，若f=1 MHz，測(cè)量精度為±1°，則fc=3 600 MHz，系統(tǒng)的頻率就相當(dāng)高，目前的FPGA芯片幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
    為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，利用平均值相位差計(jì)的原理，對(duì)上述測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，原理如圖4所示。各點(diǎn)的波形分析如圖2和圖3所示?？梢钥闯觯褪窃黾恿艘粋€(gè)時(shí)間閘門(mén)2，波形分析也就是多了2個(gè)Ufm和Uj。

    閘門(mén)脈沖發(fā)生器由晶振分頻器、閘門(mén)電路組成，它送出的波形如圖3所示。Ufm波形所示寬度為T(mén)m的門(mén)控信號(hào)Ufm；Tm遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)信號(hào)的周期Tmax，一般取Tm=kT；k是為比例系數(shù)。
    這一閘門(mén)信號(hào)使時(shí)間閘門(mén)2開(kāi)啟，在Tm內(nèi)通過(guò)時(shí)間閘門(mén)1的標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖有通過(guò)時(shí)間閘門(mén)2．得到的波形如圖3所示。
    設(shè)在時(shí)間Tm內(nèi)計(jì)到的脈沖總數(shù)為A，對(duì)圖3中的Ufm及Uj點(diǎn)波形分析可知，A=kn；考慮到k=Tm/T；n=fc△T；φ=360△T／t，所以A=(Tmfc／360)φ=aφ。式中：a=Tmfc／360，若選取適當(dāng)分頻數(shù)m=fc／fm=Tmfc的值，使a=10g，φ=A×10-g，則計(jì)數(shù)值A(chǔ)的數(shù)值就是被測(cè)信號(hào)相位差的度數(shù)；g表示小數(shù)點(diǎn)的位置。從上述原理分析可以看出，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)不必再跟蹤被測(cè)信號(hào)，F(xiàn)PGA芯片就可以選用低端的，大大降低成本，同時(shí)被測(cè)信號(hào)的頻率也可以提高到系統(tǒng)頻率同一數(shù)量級(jí)，從而大大擴(kuò)大了被測(cè)信號(hào)的頻率范圍。

2 誤差分析
    相位差的測(cè)量誤差主要有標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差和量化誤差。標(biāo)準(zhǔn)頻率由晶振產(chǎn)生，誤差很小，在此主要討論量化誤差。因?yàn)棣?A×10-g，所以△φ=△A×10-g，A=kn。誤差合成理論有△A=△kn+k△n=(±1×n)+k(±1)=±(k+n)=±(△Tfc+f/fm)，△A=±[(φ/360)(fc／f)+(mf／fc)]。當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率f很高，接近系統(tǒng)頻率fc時(shí)，k很大，n很小，△A△±k=±m(xù)f／fc；當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率f很低，接近脈沖閘門(mén)信號(hào)頻率fm時(shí)，k很小，n很大，△A△±n=±(φ/360)(fc／f)。例如：信號(hào)頻率若為f=10×103Hz，則系統(tǒng)頻率為fc=10×105Hz，相位差為φ=90°，分頻數(shù)m=360×103，帶入誤差公式計(jì)算得極限誤差△A=610°，△φ=610。×10-3=O．61°。

3 硬件編程及FPGA實(shí)現(xiàn)
    選用Atlera公司的ACEX系列的EPlK30QC208-3芯片，用VHDL進(jìn)行編程，在QrutusⅡ6．O平臺(tái)上設(shè)計(jì)的頂層電路圖如圖5所示。

    頂層電路只畫(huà)出了數(shù)字部分，脈沖形成等模擬環(huán)節(jié)都是標(biāo)準(zhǔn)電路，在此不討論。數(shù)字電路部分主要包括相位超前滯后CZ模塊、相位差信號(hào)提取phase模塊、標(biāo)準(zhǔn)頻率產(chǎn)生及控制電路fm-control模塊、計(jì)數(shù)鎖存cntlatch模塊、動(dòng)態(tài)掃描及譯碼顯示scandisp模塊等環(huán)節(jié)。其中輸入端有2個(gè)同頻率，具有相位差的信號(hào)輸入端s1，s2、系統(tǒng)頻率fc、使能信號(hào)EN、動(dòng)態(tài)顯示的掃描頻率clkdisp。輸出端口有七段顯示數(shù)碼q[6．．O]、顯示選擇信號(hào)sel[2．．O]、計(jì)數(shù)溢出響鈴信號(hào)ring。為了方便觀察分析，還設(shè)置了一些中間信號(hào)，如ct0[3．．O]～ct5[3．．0]是鎖存住要顯示的數(shù)字。
    頂層系統(tǒng)電路的仿真設(shè)置如下：信號(hào)頻率若為f=10×103Hz，系統(tǒng)頻率為fc=10×106Hz，相位差為φ=90°，分頻數(shù)m=360×103。，仿真結(jié)果如圖6所示。

    在圖6中可以看出S1，S2是兩個(gè)有相位差90°的矩形信號(hào)。
    測(cè)量線(xiàn)所在的位置就是fm的下降沿，計(jì)數(shù)結(jié)束，開(kāi)始鎖存相位差數(shù)字ct0[3．．0]～ct5[3．．0]，鎖存信號(hào)結(jié)束，清零信號(hào)到來(lái)，清零信號(hào)結(jié)束，下個(gè)周期從新循環(huán)開(kāi)始。
    pre輸出為高電平1，表明信號(hào)s1超前信號(hào)s2，鎖存的相位差數(shù)字是90．360°，與設(shè)置的相位差完全吻合，誤差也小于極限誤差。仿真表明，設(shè)計(jì)是正確完善的，能夠達(dá)到測(cè)量要求。

4 結(jié) 語(yǔ)
    通過(guò)對(duì)平均值相位差計(jì)原理的分析和程序設(shè)計(jì)、仿真，用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高精度、寬頻率范圍的相位差計(jì)。該測(cè)量方法的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，不需要鎖相環(huán)，占用的邏輯資源少，選用低端FPGA芯片完全能滿(mǎn)足要求，大大提高了被測(cè)信號(hào)的頻率范圍及測(cè)量精度，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。