基于FPGA的高精度相位測量儀的設(shè)計方案

引言

　　隨著集成電路的發(fā)展，利用大規(guī)模集成電路來完成各種高速、高精度電子儀器的設(shè)計已經(jīng)成為一種行之有效的方法。采用這種技術(shù)制成的電子儀器電路結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、測量精確且易于調(diào)試。本文采用AlteraCycloneII系列FPGA器件EP2C5，設(shè)計了高精度相位測量儀。測量相位差所需的信號源在FPGA內(nèi)部運(yùn)用DDS原理生成，然后通過高速時鐘脈沖計算兩路正弦波過零點(diǎn)之間的距離，最后通過一定的運(yùn)算電路得到最終相位值，測相精度為1°。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　該基于FPGA的相位測量儀，硬件組成包括FPGA、高速DAC以及電壓比較器等部分。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1相位測量儀硬件結(jié)構(gòu)圖

　　該測量儀由按鍵來預(yù)置正弦波的頻率及相位。通過FPGA內(nèi)部的控制模塊來計算并產(chǎn)生正弦波所需的頻率控制字和相位控制字，然后將控制字輸入DDS模塊以產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)10位高速DACTHS5651輸出兩路正弦波。在測相位差時，將圖1中移相正弦波輸出分為兩路，其中一路直接經(jīng)電壓比較器LM311整形后輸入測相模塊；另外一路先通過被測電路，然后再經(jīng)電壓比較器整形后輸入測相模塊，從而得到正弦波經(jīng)被測電路后產(chǎn)生的相移。

　　基于FPGA的硬件電路設(shè)計

　　DDS移相信號源設(shè)計

　　DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形，本系統(tǒng)的移相信號發(fā)生模塊如圖2所示。

　　圖2基于DDS的數(shù)字移相信號發(fā)生模塊框圖

　　圖2中，加法器與寄存器級聯(lián)構(gòu)成相位累加器。通過時鐘脈沖觸發(fā)相位累加器，從而將頻率控制字不斷累加。相位累加器產(chǎn)生一次溢出，就完成一次周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期。

　　用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器的相位取樣地址，把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值經(jīng)查找表查出，從而完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。然后將波形存儲器的輸出送到DAC，通過DAC將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成合成頻率的模擬波形。

　　圖2中FWORD是10位頻率控制字；PWORD是10位相移控制字，用來控制正弦信號輸出的相移量；SINROM用來存放正弦波數(shù)據(jù)，有10位數(shù)據(jù)線和10位地址線。其中數(shù)據(jù)文件是MIF文件(數(shù)據(jù)深度1024，數(shù)據(jù)類型為10進(jìn)制數(shù))，可由Matlab生成，存放數(shù)據(jù)的單元采用定制ROM的方法生成；POUT和FOUT都為10位輸出，分別和兩個高速DACTHS5651相連。
　控制模塊的生成

　　在產(chǎn)生波形的過程中，DDS模塊所需的頻率和相位控制字由在FPGA內(nèi)部編寫的控制模塊來給定?？刂颇K的頂層原理框圖如圖3所示。

　　圖3控制模塊頂層原理框圖