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在電子測量技術中，測頻測相是最基本的測量之一。相位測量儀是電子領域的常用儀器，當前測頻測相主要是運用等精度測頻、PLL鎖相環測相的方法。研究發現，等精度測頻法具有在整個測頻范圍內保持恒定的高精度的特點，但是該原理不能用于測量相位。PLL鎖相環測相可以實現等精度測相，但電路調試較復雜。因此，選擇直接測相法作為低頻測相儀的測試方法。 設計的低頻測相儀，滿足以下的技術指標：a .頻率20-20KHz；b .輸入阻抗≥100KΩ；c.相位測量絕對誤差≤1度； d.具有頻率測量和數字顯示功能；e.顯示相位讀數為0度--359度。 1 系統工作原理 圖1 測頻測相系統原理框圖 系統工作原理如圖1所示，系統運行時，首先由單片機通過clr控制線送清零信號，啟動CPLD的計數模塊，在設計的CPLD內部控制模塊作用下，記錄AB兩相的相差間隔時間內的標頻個數（測相計數器），同時也記錄下A相一個周期內的標頻個數（測頻計數器），此后測頻和測相計數器處于保持狀態，同時送出right信號表明完成測頻測相的計數，單片機可以讀數據。 單片機和CPLD的數據采用獨立接口方式，這樣設計比較靈活，可以不受單片機總線時序的影響。由ADD[0..2]進行控制，分別讀取測頻測相計數器中的19位數據，并存于單片機中，進行后續的計算。單片機完成數據的運算后，將所得數據轉化為10進制，送到顯示板進行顯示。顯示板共有8個數碼管，其中，前5位用于顯示頻率（最大為20000Hz）,后三位顯示相位（最大為359度）。 在CPLD設計中，根據計算，選取測頻、測相計數器長度均為19位，在標頻信號為10MHz時，相位測量精度小于1度。若只用89C51，其自帶的計數器只有16位，且不易同時實現測頻測相的功能。故選用CPLD實現其測頻測相的計數功能，并設計了獨立的數據接口，以便與單片機交換數據。 2 CPLD測頻測相模塊工作原理 圖2 CPLD測頻測相內部原理框圖 如圖2所示，利用VHDL語言設計了完成測頻測相計數功能的數字芯片。整個芯片由測頻計數器、測相計數器、控制部分、數據選擇器和測試用分頻器5個部分組成。 控制部分主要是利用狀態機原理，設計了檢測一個測頻周期的控制電路。在clr信號為高時，啟動測頻測相計數器，此時，狀態機處于計數工作狀態；當A相第一個上升沿到來時，測頻測相計數器同時啟動，開始計數；當B相第一個上升沿到來時，控制部分控制測相計數器停止計數；當A相第二個上升沿到來時，控制部分控制測頻計數器停止計數，同時送出計數完成信號right；此后測頻測相計數器處于保持狀態。單片機讀數時，通過設置add[0..2]數據選擇器的地址選通端，依次送出測頻計數器中的19位數據，8位一組，從xcout[0..7]端口送出，單片機需分3次讀完測頻計數器中的19位數據，數據選通端設置為001，010，011；同理，單片機也需分3次讀完測相計數器中的19位數據，數據選通端設置為100，101，110。 為了測試方便，設計了測試用分頻器，該分頻器系數可以在VHDL源程序中改動，如為1000，則將測試時用的標頻信號10M進行1000分頻，分頻后頻率為10KHz，正好處于20-20KHz范圍內。 3 單片機程序 如圖3所示，系統上電后，首先由單片機送出清零信號，啟動CPLD中的測頻測相計數器，CPLD進行測頻測相的計數，單片機查詢到right=1，則表明計數器完成計數工作，開始讀取CPLD中的數據。否則，就等待。單片機通過控制CPLD中數據選擇器的地址選通端add[0..7]，分別讀取測頻、測相計數器的19位數據，并進行相應的計算。計算中首先調用頻率計算子程序，計算出相應的頻率，然后再調用相位計算子程序，計算出相應的相位，再調用進制轉換程序，將16進制的數轉換成10進制，最后調用顯示子程需，在8位數碼管中顯示出測量的頻率、相位值。由于篇幅關系，此處不再詳述具體程序和顯示部分的設計。 4 結束語 由單片機晶振產生的6M信號，經過一個與非門整形為矩形脈沖，再經過CPLD7128的內部設計的分頻器分頻（分頻系數為1000、2000、3000、4000），由該系統進行測頻測相。AB二相的信號加上一個反相器，則從理論上講，相位相差180度。實際測量結果為，頻率分別是6000、3000、2000、1500Hz，相位為180度，與理論完全符合。利用DDS數字移相信號發生器產生不同頻率和相位差的信號實測證實，該系統指標符合設計要求。 隨著EDA（電子設計自動化）技術和微電子技術的進步，CPLD的時鐘延遲可達到 級，結合其并行工作方式，在超高速、實時測控方面有非常廣闊的應用前景；并且CPLD&FPGA具有高集成度、高可靠性，幾乎可將整個設計系統下載于同一芯片中，實現所謂片上系統(SOPC)，從而大大縮小其體積，具有可編程型和實現方案容易改動的特點，有利于產品的研制和后期升級。 CPLD7128大約有128個觸發器，程序中AB兩相計數器共用了19+19=38個，控制部分用了4個，還剩下了大約128-42=86個（其他模塊還有少量的占用）。 CPLD7128的計數頻率最高可175.4MHz，若提高標頻信號的頻率為175 MHz，同時增加計數器的長度，則測相精度從理論上講可以達到0.04度。 采用CPLD配合單片機的設計方案，具有造價較低、速度高、精度高的優點，并且可以通過軟件下載而達到儀器硬件升級的目的。 |
