低频数字式相位测量仪设计与总结报告示例(编辑修改稿)

低频数字式相位测量仪设计与总结报告示例(编辑修改稿)内容摘要：

（ AD7524）；把幅度数据送至 D/A转换器（ AD7520），经 D/A转化得到电平，作为波形 D/A转化器的基准电平，从而实现调幅功能。 存储器内存储了正弦波在一个时域周期 360个采样点，量化级数为 256。 2. 平滑滤波：采用 RC 滤波网络。 频率，相位，幅度都是通过 2 位开关的组合在一个 4 位一体的数码管显示的。 图 数字式移相信号发生器方框图 （ 6） FPGA 控制部分电路原理图 与低频数字式相 位测量仪 FPGA控制部分电路原理图相同， 如 图。 （ 7） 数字式移相信号发生器显示 /按键 /开关部分 数字式移相信号发生器显示 /按键 /开关部分如图。 图中， J2 为阻值为 10KΩ 的5脚排阻。 D D2 在这里起简单的降压作用，把 5V直流电压变为略大于。 53 图 数字式移相信号发生器显示 /按键 /开关部分 （ 8）数字式移相信号发生器 正弦波 A/B信号发生部分 数字式移相信号发生器 正弦波 A信号发生部分电原理图如图 （ B 信号发生电路完全相同，略）。 图中， 1. U4（ AD7520）和运放 U8A把来自 FPGA幅度数据 U40~U49转化为 AD7524 的基准电压，从而实现数控调压，步进为 10Mv。 2. U2（ AD7524）和 U9A、 U9B 运放把来自 FPGA波形数据 U20~U27 转化成正弦波 A。 3. R44 和 C20 构成简单的 RC 滤波网络。 4. J7 为正弦波 A信号输出接口， J8 为正弦波 B 信号输出接口。 图 数字式移相信号发生器 正弦波 A/B 信号发生部分电原理图 54 （ 9）数字式移相信号发生器 电源 /滤波电路 数字式移相信号发生器 电源 /滤波电路与低频数字式相位测量仪电 源 /滤波电路相同，如图。 3. 软件设计 开发软件及编程语言简介 系统采用硬件描述语言 VHDL 按模块化方式进行设计，并将各模块 集成于 FPGA 芯片中，然后通过 Xilinx ISE ModelSim Xilinx Edition XE仿真工具， 对设计文件自动地完成逻辑编译、逻辑化简、综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，最后对FPGA芯片进行编程，实现系统的设计要求。 采用 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Descriptipon Language）超高速集成电路硬件描述语言设计复杂数字电路的方法具有很多优点， VHDL 语言的设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。 VHDL 语言的系统硬件描述能力很强，具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统级到门级电路，而且高层次的行为描述可以与低层次的 RTL 描述混合使用。 VHDL 在描述数字系统时，可以使用前后一致的语义和语法跨越多层次，并且使用跨越多个级别的混合描述模拟该系统。 因此，可以对高层次行为描述的子系统及低层次详细实现子系统所组成的系统进行模拟。 软件 实现方法 等精度频率测量的实现 等精度测频的实现方法可简化为图。 CNT1和 CNT2是两个可控计数器，标准频率（ fs）信号从 CNT1 的时钟输入端 CLK 输入；经整形后的被测信号（ fx）从 CNT2的时钟输入端 CLK 输入。 每个计数器中的 CEN 输入端为时钟使能端控制时钟输入。 当预置门信号为高电平（预置时间开始）时，被测信号的上升沿通过 D 触发器的输出端，同时启动两个计数器计数；同样，当预置门信号为低电平（预置时间结束）时，被测信号的上升沿通过 D触发器的输出端，同时关闭计数器的计数。 等精度 测频实现方法原理图 如图。 55 图 等精度测频实现方法的原理 正弦波波形数据产生 利用 计算波形数据，程序及结果如下： step=2*pi/1023。 x=0:step:2*pi。 y=*sin(x)+。 z=round(y) z = Columns 1 through 10 128 128 129 130 131 131 132 133 134 135 Columns 11 through 20 135 136 137 138 138 139 140 141 142 142 …… Columns 1021 through 1024 125 126 127 127 程序流程图 数字式移相信号发生器程序流程图如图。 首先通过开关选择调频、调相、调幅功能，然后相应的进行置数或调节。 调相和调频通过拨盘码进行频率和相位的预置。 调幅通过两个按键进行连续的增幅和减幅 .最后将相 应的数据送入数码管显示。 56 相位测量仪模块程序流程图如图 示。 首先判断两路输入信号的上升沿，如果上升沿到达则计数器开始计数，否则继续等待。 在计数过程中继续判断第二路输入信号的上升沿是否到达，如果到达则将计数结果保存并且继续计数，直到第一路信号的下降沿到来后停止计数。 图 相位测量仪模块程序流程图 图 数字式移相信号发生器程序流程图 Y 开 始 信号输入 是否为上升沿 开始计数 等 待 Y N 第二个上升沿到来 N 存储、计数 是否为下降沿 停止计数 并显示 Y N 57 程序清单及仿真 系统采用模块化设计，数字式移相信号发生器的软件设计分为：一个顶层映射总模块和幅频控制、数据 ROM、译码、显示四个子模块。 通过 Xilinx的 映射为原理图，后用数据线连接各子模块，如图 所示。 相位测量仪程序清单与各模块的功能说明详见附录。 相位测量仪顶层映射原理图如图 所示。 图 相位测量仪顶层映射原理图 58 图 数字式移项信号发生器顶层映射原理图 59 4. 系统测试 测试仪器与设备 测试用仪器与设备如表 所示。 表 测试用仪器与设备 仪器名称 型号 指标 生产厂 数量 FPGA 实验仪 DPFPGA 广州致远电子 有限公司 1 双通道数字 示波器 绿扬 YB4365 100MHz 江苏扬中电子 仪器厂 1 低频信号发生器 GFG8216A 20KHz 江苏扬中电子 仪器厂 1 数字万用表 UT2020 3 位半 深圳胜利公司 1 稳压电源 DF1731SC2A 0～ 30V 江苏扬中电子 仪器厂 1 计算机 联想 PC 机 ， 256M 内存 联想公司 1 指标测试 测试表中凡以“ ”标志代替的，均为无法测量到的数据。 幅值、频率、波形测量 测量幅值：先将数字式移相信号发生器输出接示波器，然后将数字式移相信号发生器 的拨动开关拨到置幅档，调节按钮 S1， S2，增加或减小幅值。 测试方法：低频信号发生器产生频率可调的正弦波，输入到相位测量仪的输入端 A和 B，调节低频信号发生器改变输出信号的频率，可通过数码管显示测量仪的实测频率。 （ 1）相位测量仪输出频率测试 测试数据如表。 （ 2）数字式移相信号发生器输出波形测试 测试数据如表。 （ 3）数字式移相信号发生器与相位测量仪联调的测试 将数字式移相信号发生器两路信号的输出接到相位测量仪的两输入端，进行数字式移相 60 信号发生器与相位测量仪联调。 相位 差测量 测量相位差：先将数字式移相信号发生器的 A B两输出端与相位测量仪的 A B两输入端连接，然后设置拨码盘，按下置数开关，相位测量仪的数码管显示频率，接着拨拨动开关，调到置相档，设置拨码盘，按下置数开关，相位测量仪的两数码管显示相位差和频率。 表 表 数字式移相信号发生器测试数据表 被测量 实际输入值 测量值 误差 (%) 频率 （ Hz） 20 100 101 500 500 0 1000 1006 10K 20K 61 误差分析 相位误差 （ 1）相位测量仪的相位误差 ① 时基误差： A/D 采样时，由于采样时钟不稳定或者受到干扰的影响，采 样 时间间隔不均匀，造成采得信号的时间间隔有偏差。 ② 噪声的混入： 相位测试中，被测正弦信号会不可避免地混入噪声，噪声信号叠加于正弦信号之上，使正弦波的过零点发 生偏移。 采用小波技术处理 A/D 采样后得到的信号，对混入的采集噪声及直流、谐波分量进行抑除，之后用两信号最大点的时间间隔求取相位差， 可减小误差。 （ 2）数字式移相信号发生器的相位误差 ① 相位量化误差 :由于波形是通过一系列有限的离散采样点表示的，这就不可避免地引被测量 预置值 实测值 误差（ %） 相位差（ 186。 ） （ f＝ 1KHz） 0 0 0 45 125 215 359 频率（ Hz） 20 20 0 100 100 0 1000 1002 10K 20K 幅值（ V） （ f＝ 1KHz） 0 0 62 入了相位量化误差，增加采样点数可减小误差。 本设计一个周期内取 720 个采样点。 ② 舍位引起的误差 :在 DDFS 中，由于对分频系数 k 进行四舍五入，会不可避免的产生相位误差。 频率误差 由式 ()可知，若忽略标频 fosc的误差，则等精度 测频可能产生的相对误差为 ： ％100f ff xe xxc  () 其中， fxe 为被测信号频率的准确值。 在测量中，由于 fx计数的起停时间都是由该信号的上升测触发的，在闸门时间 τ内对 fx的计数 Nx无误差 xx TN ＝ （ ） 对 fs 的计数 Ns 最多相差一个数的误差，即 ： |ΔNs|≤ 1,其测量频率为 ： os css xxe ff  NN N＋＝ （ ） 将式 ()和 式 （ ）代入式 ()，并整理得： os csss f11   ＝＝ NNN （ ） 由上式可以看出，测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和标准信号频率有关，闸门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小。 幅值量化误差 由于 ROM 中存储的数据字长和 D/A位数有限，所以 D/A进行幅值量化时会产生幅值量化误差，增加数据字长和 D/A位数将可以减少这种误差。 5 结 论 本设计制作完成了题 目要求的基本部分的全部要求和发挥部分的大部分要求，达到设计要求。 个别指标由于时间有限只完成相应的软件和硬件设计，整体调试还未能全部完成。 参考文献： 1. 潘松，黄继业 .EDA技术实用教程 [M].北京：科学出版社 . 第一版 . 63 1. 全国大学生电子设计竞赛组委会 .第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2020)[M]. 北京 :北京理工大学出版社 . 第一版 . 2. 高吉祥，黄智伟，丁文霞 . 数字电子技术 [M]. 北京：电子工业出版社， 2020 年，第 1版 3. 邹其洪 黄智伟 高嵩 .电工电子实验与计算 机仿真 [M].北京：电子工业出版社， 2020年，第 1版 4. 张友汉 .电子线路设计应用手册 [M].福建：福建科学技术出版社 . 第一版 . 5. 沈维聪 ， 刘义菊 . 数字移相技术的分析和实现 . 年 . 附 录 : 附录 （注：本书为节省篇幅，略） 附录 2：程序清单 （注：本书为节省篇幅，略） 附录 3：印制板图 （注：本书为节省篇幅，略） 附录 4：系统使用说明（注：本书为节省篇 幅，略） 简易智能电动车（ E 题） 设计与总结报告示例 （以下是一个实际的 简易智能电动车（ E题） 设计与总结报告） 简易智能电动车（ E 题） 摘要： 本设计采用两块单片机（ AT89C51 和 AT89C2051）作为智能小车的检测和控制核心，实现小车识别路线 、 判断并自动 躲 避障碍 、 选择正确的行进路线 、寻找光源等功能。 引导方式采用反射式光电传感器感知与地面颜色有较大差别的导引线，障碍判断采 用超声波 传感器。 驱动电机采用直流电机，电机控制方式为单向 PWM控制。 电机 控制核心采用 AT89C2051单片机，控制系统与电路用光 电耦合器 完全隔离以避免干扰。 控制上采用分时复用技术 对系统进行优化。 关键词 ： 智能控制 光电检测 PWM脉宽调制 电动车 Simple Intelligentized Electric Motors Automobile。