基于FPGA控制的低频数字式相位测量仪研究
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摘要:低频数字相位测量仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具,主要应用于同频率正弦信号间的相位差的测量显示。
本系统采用复杂可编程逻辑器件EP1K100QC208-3作为数据处理及控制核心,由移相网络,信号处理电路,数据采集电路,数据运算电路以及显示电路组成。该系统硬件电路简单,整个设计采用VHDL(超高速硬件描述语言)语言作为系统内部硬件结构的描述手段,在Altera的maxplusⅡ的软件支持下完成。该系统可以对200Hz～20kHz频率范围内的信号进行高频采样处理,并把收集到的数据送入FPGA进行相位差测量运算并送显示电路显示,测相绝对误差不大于±0.5°。
本系统充分利用FPGA对数据的高速处理能力,使得系统设计高效,可靠。与传统相位测量仪相比, 该系统具有处理速度快、稳定性高、性价比高,易于实现的优点。该系统具有较强的实用价值和良好的工程应用前景。
关键词:复杂可编程逻辑器件 低频 相位测量仪 FPGA VHDL语言
中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)01-0000-00
1 绪论
随着科学技术的突飞猛进的发展,电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中,而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段,在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。相位是交流信号的重要参数。相位差的测量是电子和电力测量中经常遇到的问题,测量两路同频信号的相位差在工程上有着重要的意义。其测量方法可分为模拟和数字方法两种:传统依靠模拟器件的方法,如二极管鉴相法、脉冲计数法等,测量系统复杂、需专用器件、硬件成本高、而且精度不高。随着集成电路的发展,利用大规模集成电路来完成各种高速、高精度电子仪器的设计,已经成为一种行之有效的方法。采用这种技术制成的电子仪器电路结构简单、性能可靠、测量精确且易于调试,而且精度明显高于一般的模拟式测量。
在工业和民用场合,为了对各种低频信号进行测量分析,常常引入相位测量仪。低频数字式相位测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具,例如在电力系统中,当电网合闸时,要求两电网电信号的相位相同,如果两路信号的相位不同,会出现很大的电网冲激电流,对供电系统产生巨大的破坏力,因此,精确测量出两个信号的相位差是非常重要的。
同频信号间相位差的测量在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、电子、地球物理勘探等许多领域都有着广泛的应用。尤其在工业领域中,相位不仅是衡量安全的重要依据,还可以为节约能源提供参考。因此,研究和设计低频数字式相位测量仪,将会为国民经济的发展起到推动和促进作用。
本课题主要研究基于fpga控制的低频数字式相位测量仪,对200Hz～20kHz频率范围内的信号进行相位差的显示,误差控制在±0.5°之内。
2 系统测量原理
2.1相位差测量方案论证
相位差测量的基本原理主要有三种:对信号波形的变换和比较,对傅氏级数的运算及对三角函数的运算。可采用脉冲填充计数法,相位/时间(频率)法等方案,最终选择相位/时间(频率)法,如图2.1所示,如图2.1(a)所示波形是经过移相网络后输出的两路待测同频正弦信号u1和u2,其中T1为延时时间,T为待测信号的周期,由公式(2.1)可以计算出u1 和u2的相位差 。图2.1(b)所示的为经过信号处理电路放大整形的两路方波信号。
2.2移相网络原理
在本系统设计中,我们采用基于阻容移相原理的模拟移相网络。其原理图如图2.2所示:
如图2.2所示的相位关系中,要实现输出相移在
-45.0°～+45.0°范围内变化,R,C的理论值可以根据
公式(2.2)计算出。
2.3信号处理电路原理
信号处理电路由阻抗变换和放大、限幅、电平转换、整形电路组成。其中阻抗变换和放大以及限幅部分均用NE5532搭建,电平转换用LM311搭建过零比较器得到方波信号,再经过由NE555搭建的施密特触发器组成的脉冲整形电路得到严格的上升沿或下降沿的方波信号。
3 系统的组成及功能指标
3.1系统组成与框图
本系统以Altera公司的EP1K100QC208-3作为数据处理及控制核心,由移相网络,信号处理电路,数据采集电路,数据运算电路以及LED数码管显示电路组成。我们输入一路正弦信号,经过移相网络后得到两路同频不同相的正弦信号,在经过信号处理电路将移相网络的两路输出信号处理为两路同频不同相的方波,将定义的信号超前端和信号滞后端两路信号送入EP1K100QC208-3内,经过VHDL语言编写生成的数据采集以及数据运算模块,将数据送入LED数码管显示电路显示出经过移相网络后的两路同频信号的相位差。系统框图如图3.1所示。
图3.1 系统方框图
3.2 系统功能指标
3.2.1 移相网络
该移相网络适用于200Hz～20kHz的正弦信号,经过网络后产生两路同频不同相的正弦信号,理论移相范围是-45°～+45°,两路输出的正弦信号峰-峰值可通过电路中的电位器调节分别在0.3V～5V范围内变化。
3.2.2 信号处理电路
该电路适用于200Hz～20kHz的正弦信号,输入阻抗≥100kΩ,允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1～5V范围内变化。移相网络的两路输出正弦信号经过该电路后产生两路同频不同相的方波信号,该方波信号有着较陡的上升沿或者下降沿,易于FPGA检测得到。
3.2.3 LED数码管显示模块
该模块负责接收FPGA处理后运算后的数据,适时显示出变化的两路同频不同相信号的相位差,相位读数的理论值为-45.0°～+45.0°,分辨率为0.1。
3.2.4 供电电源模块
该系统采用220伏市电经过变压器和电源稳压电路得出所需+5V和±12V电源电压。
4 系统的设计与实现
4.1 移相网络的硬件设计
图4.1所示为移相网络硬件电路图,电位器W1接的是电压跟随器,调节电位器W1可以使B输出在-45.0°～+45.0°范围内输出。调节电位器W2、W3可以调节A输出 和B输出的正弦信号峰-峰值在0.3V～5V范围内变化。将W调为27.5k,W′调为1k,这样可以使频率为1KHz的输出相移在-45.0°～+45.0°范围内变化。采用NE5532运算放大器是为了减少输出对RC网络的影响。NE5532运算放大器有10MHz的带宽,能使输出信号真实地反映RC网络相移情况。
4.2 信号处理电路的硬件设计
如图4.2所示的信号处理电路,经相位超前输出端、相位滞后输出端将处理过的信号传输给可编程器件。
4.3 数码管显示电路设计
在本电路设计中,使用了一个八段数码显示管和一个CL5461AS四位共阴数码管,前者负责显示待测两路信号的相位差的正负,后者显示相位差的大小。它们的管脚图分别如图4.3,图4.4所示:
4.4 相位测量的设计思想
测量两个信号之间的相位差通过计算实现。由公式(4.1)和公式(4.2)我们可以计算出待测两路信号的相位其中: ―两个信号之间的时间差
―两个信号之间的计数器的计算值
―计数器的时钟周期
―两个信号之间的相位差
―被测信号的周期
―计数器的时钟频率
―被测信号的频率
其设计思想具体的说就是当FPGA检测到规定的超前信号的下降沿时,开始计数,当FPGA检测到规定的滞后信号的下降沿时,停止计数得到正相位差的计数N1并且得到相位差的正负状态;当FPGA检测到规定的滞后信号的下降沿时,开始计数,当FPGA检测到规定的超前信号的下降沿时,停止计数得到负相位差的计数N2并且得到相位差的正负状态,然后将计数N1和N2通过或运算得到相位差的计数,FPGA根据相位差计数值,通过公式进行计算,最后通过LED数码管显示电路显示出计算结果。
5 结语
本设计完成了预期设计的目标任务,成功地设计出了基于FPGA控制的低频数字式相位测量仪。本设计以ALTERA公司的复杂可编程逻辑器件(Altera Cyclone Ⅱ系列FPGA)EP1K100QC208-3为核心,在FPGA内通过VHDL语言编写的相位测量电路,极大的简化了逻辑电路,提高了系统的可靠性,最终将软件计算得到的相位差通过LED数码管显示出来,读数方便。该系统硬件电路简单,适用于200Hz～20kHz频率范围内的信号。本系统充分利用FPGA对数据的高速处理能力,使得系统设计高效,可靠。
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