基于FPGA的正弦信号相位差测量方法设计

摘要

相位差是指两路同频信号之间相位的差值，又叫做相差。对于两路同频的正弦信号，其相位差等于这两路正弦信号的初始相位之差，是一个不随着时间变化而变化的常数。近些年来，两路正弦信号之间相位差的测量在信号分析、工业自动化、智能控制、电子及通信技术、生物医学、雷达、声纳、水质监测等领域都有着广泛的应用。因此，精确地测量由传感器接收到的两路正弦信号之间的相位差具有重要的理论意义和应用价值。
　　本文在分析了常用的测量正弦信号相位差的方法之后，针对存在的缺陷，设计了三种基于FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)的正弦信号相位差测量方法及硬件电路，并对所设计的三种相位差测量方法分别进行了验证，并将基于FPGA及FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)技术的相位差测量方法应用于水中溶解氧含量的测量，结果表明了本文所设计的基于FPGA及FFT技术的相位差测量方法的有效性。论文的主要工作和成果归纳如下:
　　(1)分别设计了三种基于FPGA的相位差测量方法及电路，并将三种测量电路设计在同一块硬件电路板上，包括减法测量电路、乘法测量电路以及FFT法测量电路，并对自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)电路、二阶有源带通滤波电路、二阶有源低通滤波电路、DAC（Digital to Analog Converter，数字模拟转换器）模块和ADC(Analog to Digital Converter，模拟数字转换器)模块、DDR2(Double Data Rate2)接口电路及其他模块电路进行了设计。
　　(2)在研究了DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字频率合成器)的基本原理之后，利用FPGA内的DDS IP(Intellectual Property)核以及硬件电路模块生成了两路具有一定相位差的标准正弦信号，用于验证本文所设计的相位差测量方法的可行性，利用FPGA内的FFT IP核对本文所设计的基于FPGA及FFT技术的相位差测量方法进行了实现。
　　(3)对本文所设计的三种相位差测量方法分别进行了验证，根据实验数据对三种测量方法的测量精度及测量误差进行了分析，然后对三种测量方法进行了综合对比分析，最后将基于FPGA及FFT技术的相位差测量方法应用于水中溶解氧含量的测量，结果表明本文所设计的基于FPGA及FFT技术的相位差测量方法的有效性，在测量水中溶解氧含量时可以达到ppb（parts per billion，十亿分之一）的测量精度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文组织结构

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 论文章节安排

第2章 相位差测量方法及FPGA技术

2．1 相位差的基本概念

2．2 相位差测量在水中溶解氧含量测量中的应用

2．3 常用的相位差测量方法

2．3．1 过零检测法

2．3．2 电压测量法

2．3．3 数值取样法

2．3．4 数字相关法

2．3．5 基于离散傅里叶变换(DFT)的相位差测量方法

2．4 FPGA技术

2．4．1 FPGA的基本结构

2．4．2 FPGA设计基本原则

2．4．3 FPGA开发流程

2．5 本章小结

第3章 基于FPGA的相位差测量方法及硬件电路设计

3．1 系统总体设计硬件框图

3．2 减法测量方法及电路设计

3．2．1 减法测量方法设计

3．2．2 AGC电路设计

3．2．3 二阶有源带通滤波电路设计

3．2．4 减法电路设计

3．3 乘法测量方法及电路设计

3．3．1 乘法测量方法设计

3．3．2 乘法电路设计

3．3．3 二阶有源低通滤波电路设计

3．4 基于FPGA及FFT技术的相位差测量方法设计

3．5 DAC模块及ADC模块设计

3．5．1 DAC模块设计

3．5．2 ADC模块设计

3．6 其他模块电路设计

3．6．1 电源管理模块设计

3．6．2 DDR2接口电路设计

3．6．3 高速电路设计

3．7 硬件调试和设计分析

3．8 本章小结

第4章 基于FPGA的相位差测量系统软件设计

4．1 系统整体软件设计

4．2 标准正弦信号的生成

4．2．1 DDS基本原理

4．2．2 DDS IP核

4．3 基于FPGA及FFT技术的相位差测量方法实现

4．3．1 FFT IP核

4．3．2 FFT相位差测量方法实现

4．4 FPGA与上位机通信协议设计

4．4．1 FPGA数据结构

4．4．2 通信格式

4．4．3 数据处理流程

4．4．4 图表控件设计

4．5 本章小结

第5章 实验结果及误差分析

5．1 三种测量方法实验结果及误差分析

5．1．1 减法测量结果及误差分析

5．1．2 乘法测量结果及误差分析

5．1．3 FFT法测量结果及误差分析

5．1．4 三种测量方法综合对比分析

5．2 水中溶解氧含量测量实验

5．2．1 测量环境的搭建

5．2．2 实验结果及测量精度分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果