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高精度数字相位计的研究

作　者: 齐亚楠
导　师: 何宏
学　校: 天津理工大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 数字相位计 自动换程 FPGA FFT IP核
分类号: TM933.312
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 6次
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内容摘要


本课题是以与天津中环电子仪器有限公司合作的横向课题“高精度宽带数字相位计”为背景。针对目前国内数字相位计功能单一、自动化程度不高、精度低等问题,本文对高精度数字相位计进行了深入研究。通过对数值取样法、数字相关法、相位—电压转换法、相位—时间转换法和过零鉴相法等相位差测量方法的研究,本文采用基于FPGA的FFT算法研制出高精度数字相位计,此高精度数字相位计最突出的特点是实现了相位计的高精度、量程自动转换和多功能性,与传统相位计相比,其测量精度从0.1。提高到0.05。,本论文的主要工作是高精度数字相位计的硬件电路设计和软件设计。一、高精度数字相位计硬件电路设计包括：◆基于循环计数原理的自动换程系统：主要包括衰减电路、放大电路、幅值检测电路和换程控制电路。该设计精度高、可移植性强,在一定程度上缩短了仪器仪表的开发周期。◆整形电路设计。该设计采用施密特触发器将正弦波转化为方波。◆A/D采样及转换电路设计。该设计使用高精度的16位A/D芯片ADS1605,采用TI公司提供的典型耦合差分电路,这种电路要求带宽略低,交流信号失真小且引入噪声小。由于这是一个差分输入电路,而整形电路的输出是单端输出电路,因此需要使用差分放大器AD8138芯片来实现单端至差分的转换。◆前面板设计。本设计采用ICM7216,因其内部含有译码电路和驱动电路并目.内部会自动产生小数点的移位,可以减少大量的编程,频率计的设计实现了相位计的功能多样化。◆电源设计。为提高电源精度,选用可调节三端正电压稳压器(LM317、LM337、 LM323)来完成电源的设计。二、高精度数字相位计的软件设计本文对FFT算法(即离散傅里叶变换(DFT)的一种高效算法)进行了深入研究,通过选择基于FPGA的Cyclone Ⅱ系列的EP2C15AF256C8芯片,采用FFT IP核的方法对相位差来进行测量,通过Matlab联合仿真证明该方案的正确性。实例验证,与传统相位计相比,该方法将相位差的测量精度提高到0.05。。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章 绪论  10-14
  1.1 相位差测量的研究背景和意义  10-11
  1.2 相位差测量技术的发展现状和发展趋势  11-13
    1.2.1 相位计的国外发展状况  11-12
    1.2.2 相位计的国内发展状况  12-13
  1.3 本章小结及论文安排  13-14
第二章 设计方案的比较和选择  14-22
  2.1 相位差的原理及指标  14
  2.2 几种传统测量方案的阐述  14-20
    2.2.1 数值取样法  14-15
    2.2.2 数字相关法  15-17
    2.2.3 相位——电压转换法  17-18
    2.2.4 相位——时间转换法  18-19
    2.2.5 过零鉴相法  19-20
  2.3 设计方案的选择  20-21
  2.4 本章小结  21-22
第三章 高精度数字相位计的硬件电路设计  22-47
  3.1 系统采用的硬件结构  22-23
  3.2 数字相位计工作原理  23
  3.3 基准电路的设计  23-33
    3.3.1 衰减电路设计  24-25
    3.3.2 放大电路设计  25-28
    3.3.3 幅值检测电路设计  28-29
    3.3.4 脉冲发生电路设计  29-30
    3.3.5 换程控制电路设计  30-33
  3.4 整形电路设计  33-35
  3.5 A/D采样及转换电路  35-38
  3.6 前面板的设计  38-41
    3.6.1 ICM7216的性能特点  38
    3.6.2 ICM7216部分引脚说明  38-40
    3.6.3 频率计的设计  40-41
  3.7 电源的设计  41-45
    3.7.1 桥式整流电路  42
    3.7.2 滤波电路  42-43
    3.7.3 三端稳压器  43-45
  3.8 本章小结  45-47
第四章 高精度数字相位计的软件部分设计  47-61
  4.1 引言  47-48
    4.1.1 FPGA简介  47-48
    4.1.2 IP核的简介和发展  48
  4.2 FFT算法原理  48-56
    4.2.1 基4-FFT的基本原理  48-51
    4.2.2 FFT算法的硬件设计  51-52
    4.2.3 FFT IP核的结构  52-53
    4.2.4 FFT IP核的仿真  53-56
    4.2.5 FPGA的硬件电路图  56
  4.3 反正切算法的软件实现  56-57
  4.4 相位差误差测量  57-59
  4.5 本章小结  59-61
第五章 总结与展望  61-63
  5.1 总结  61
  5.2 展望  61-63
参考文献  63-66
发表论文和科研情况说明  66-67
致谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电气测量技术及仪器 > 电数量的测量及仪表 > 功率测量及仪器 > 功率因数测量、功率因数表 > 相位测量、相位差测量
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