基于FPGA的高精度相位测量仪的设计方案

引言

　　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。本文采用AlteraCycloneII系列FPGA器件EP2C5，设计了高精度相位测量仪。测量相位差所需的信号源在FPGA内部运用DDS原理生成，然后通过高速时钟脉冲计算两路正弦波过零点之间的距离，最后通过一定的运算电路得到最终相位值，测相精度为1°。

　　系统硬件设计

　　该基于FPGA的相位测量仪，硬件组成包括FPGA、高速DAC以及电压比较器等部分。其系统硬件结构如图1所示。

　　图1相位测量仪硬件结构图

　　该测量仪由按键来预置正弦波的频率及相位。通过FPGA内部的控制模块来计算并产生正弦波所需的频率控制字和相位控制字，然后将控制字输入DDS模块以产生波形数据输出，经10位高速DACTHS5651输出两路正弦波。在测相位差时，将图1中移相正弦波输出分为两路，其中一路直接经电压比较器LM311整形后输入测相模块；另外一路先通过被测电路，然后再经电压比较器整形后输入测相模块，从而得到正弦波经被测电路后产生的相移。

　　基于FPGA的硬件电路设计

　　DDS移相信号源设计

　　DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形，本系统的移相信号发生模块如图2所示。

　　图2基于DDS的数字移相信号发生模块框图

　　图2中，加法器与寄存器级联构成相位累加器。通过时钟脉冲触发相位累加器，从而将频率控制字不断累加。相位累加器产生一次溢出，就完成一次周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期。

　　用相位累加器输出的数据作为波形存储器的相位取样地址，把存储在波形存储器内的波形抽样值经查找表查出，从而完成相位到幅值的转换。然后将波形存储器的输出送到DAC，通过DAC将数字量形式的波形幅值转换成合成频率的模拟波形。

　　图2中FWORD是10位频率控制字；PWORD是10位相移控制字，用来控制正弦信号输出的相移量；SINROM用来存放正弦波数据，有10位数据线和10位地址线。其中数据文件是MIF文件(数据深度1024，数据类型为10进制数)，可由Matlab生成，存放数据的单元采用定制ROM的方法生成；POUT和FOUT都为10位输出，分别和两个高速DACTHS5651相连。
　控制模块的生成

　　在产生波形的过程中，DDS模块所需的频率和相位控制字由在FPGA内部编写的控制模块来给定。控制模块的顶层原理框图如图3所示。

　　图3控制模块顶层原理框图