基于FPGA與MSP430的單相數(shù)字移相系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

【摘要】本文介紹了一種基于FPGA與MSP430技術(shù)的單相數(shù)字移相系統(tǒng)的設(shè)計方案。實現(xiàn)了直接數(shù)字式頻率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）兩路幅值、相位、頻率可調(diào)的正弦信號的產(chǎn)生。完成了幅值、相位的自動跟蹤校準。最終實現(xiàn)了相位在0 ～ 360°可調(diào)，相位差分辨率0.1°；頻率在45 ～ 350Hz可調(diào)，頻率分辨率為0.1Hz；信號幅值在0～5V可調(diào)，分辨率為0.05V。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字移相器直接數(shù)字式頻率合成FPGAMSP430自動跟蹤校準

在智能控制與儀表測量等領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到移相技術(shù)，對信號的頻率、相位變化進行監(jiān)測與調(diào)整。如在電力系統(tǒng)中，需要檢測系統(tǒng)中檢測某點的電壓與電流的相位差，并自動校準，來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性！

傳統(tǒng)移相技術(shù)通常直接對模擬信號進行移相，典型的方法有：阻容移相，變壓器移相等。以阻容移相為例，其優(yōu)點在于電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，但是缺點也很明顯：輸出波形受輸入波形的影響，移相操作不方便，移相角度隨所接負載不同等因素的影響而產(chǎn)生漂移等。

近幾年，隨著單片機技術(shù)和可編程技術(shù)的發(fā)展，以及直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)（Direct Digital Synthesizer，DDS）的日益成熟，數(shù)字移相技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字移相技術(shù)主要是現(xiàn)將信號數(shù)字化，使信號具有較好的頻率、相位分辨率，然后進行移相操作之后再還原成模擬信號。本文首先利用FPGA技術(shù)，采用直接數(shù)字式頻率合成的方法，產(chǎn)生兩路幅值、頻率與相位可調(diào)的正弦波信號，具體的幅值、頻率與相位數(shù)據(jù)可由MSP430單片機控制。然后利用波形整形電路，鑒頻器對兩路信號的相位進行跟蹤校準，利用交直流轉(zhuǎn)換電路（AC/DC）、比較調(diào)整電路以及MSP430單片機中的A/D、D/A中對幅值進行跟蹤校準。

一、系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分為三部分：由FPGA產(chǎn)生DDS調(diào)頻、調(diào)相的正弦信號；利用FPGA對模擬的正弦信號的相位、頻率跟蹤校準；由MSP430對模擬信號的幅值進行測量與校準。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

對于DDS信號的產(chǎn)生。首先由直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的，依據(jù)采樣定理，生成波形數(shù)據(jù)的采樣值，放入ROM數(shù)據(jù)表中。然后由波形加法器與寄存器級聯(lián)構(gòu)成相位累加器，通過時鐘脈沖觸發(fā)累的加器，從而將頻率控制字不斷累加，每次累加時就通過查表法輸出對應(yīng)的數(shù)值。相位累加器產(chǎn)生一次溢出，就完成一次周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器的相位取樣地址，把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值經(jīng)過正弦函數(shù)表查處，從而完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。然后將波形存儲器的輸出送到D/AC，通過D/AC將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成合成頻率的模擬波形。

對于信號相位的跟蹤校準。核心思想是：先將模擬信號數(shù)字化，然后對數(shù)字信號的相位差進行測量，最后反饋至DDS信號源的相位控制字中，進行校準。具體的實現(xiàn)方式，先由方波整形電路將模擬的正弦信號轉(zhuǎn)換為兩路方波信號，然后利用鑒相器測量數(shù)字信號的相位差。因為相位差的值與數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的總個數(shù)及數(shù)據(jù)地址的偏移量有關(guān)，可通過查詢ROM數(shù)據(jù)表將相位差反饋至相位控制字中，實現(xiàn)相位的校準。

對于信號的幅值的測量與校準。首先通過交直流轉(zhuǎn)換電路（AC/DC）把所要測量的交流信號轉(zhuǎn)換成直流的電平，再對直流電平進行測量，采用均值檢波進行幅值測量，最后將測量值反饋給MSP430控制單元，來調(diào)整DDS信號源中D/A轉(zhuǎn)換電路的參考電平，從而實現(xiàn)幅值的校準。

二、FPGA上實現(xiàn)兩路DDS信號的發(fā)生

考慮到信號發(fā)生器的輸出頻率、相位、幅度等參數(shù)的范圍及精度要求，以及對于設(shè)計成本的控制，采用FPGA技術(shù)實現(xiàn)DDS產(chǎn)生兩路數(shù)字正弦波信號。

首先由通過接口電路接收來自MSP430單片機的頻率控制字和相位控制字，然后通過對頻率控制字和相位控制字進行累加計數(shù)，最后通過查尋ROM表中的數(shù)據(jù)，送至D/A轉(zhuǎn)換實現(xiàn)正弦信號的輸出。設(shè)計時為了提高頻率分辨率，采用32位累加器計數(shù)，由于取點時鐘采用的是系統(tǒng)時鐘50MHz，通過DDS的累加原理，推出頻率字的累計系數(shù)為86，即頻率字的控制范圍為50*86～350*86，即可實現(xiàn)正弦信號在50～350Hz頻率范圍內(nèi)的輸出，且精度達到0.1Hz。另外為了提高相位的分辨率，內(nèi)部ROM的正弦波的周期表為4096取點，因此相位控制字選用12位計數(shù)。通過D/A芯片進行數(shù)模轉(zhuǎn)化后，生成模擬信號，其中一路作為信號發(fā)生器的參考基準信號f0，另一路作為檢測信號f1。對于輸出信號的頻率和相位可以通過外部控制電路改變頻率控制字和相位控制字來調(diào)節(jié)。

三、相位差的測量與跟蹤

在FPGA通過D/A轉(zhuǎn)換輸出兩路模擬正弦波f1，f0，測量f1，f0的相位差時，首先通過方波整形電路，將正弦波轉(zhuǎn)換成方波信號S0、S1，利用方波信號的上升沿作為定時器的觸發(fā)信號，完成相位差的測量。

對于信號的相位差數(shù)值測量，本文采用了數(shù)字鑒相器的技術(shù)來實現(xiàn)。具體過程如圖2所示。

由于電路中的負載影響，信號之間的相位會發(fā)生變化，經(jīng)過波形整形電路之后，將具有相位差的正弦信號轉(zhuǎn)換為方波信號S1，S0；然后S0作為參考的基準信號不變，將S1進行分頻鎖相處理。在S1的第一個上升沿t0來臨時，同時啟動計數(shù)器1和計數(shù)器2開始計數(shù)，并把S1置位“1”，在S0的第一個上升沿t1來臨時，使計數(shù)器1停止計數(shù)，得到計數(shù)值為N1；繼續(xù)對S1進行監(jiān)測，當S1的第二個上升沿來臨時，停止計數(shù)器2，得到計數(shù)值為N2，同時將標志位FLAG0置位“0”，將S1置位“0”，直到下一次測量時，再將FLAG0復(fù)位為“1”。FLAG0為測量的標志位，只有當FLAG0=“1”時，才開始相位差的測量。

通過這一方法可得到相位差為：

Δ漬=N1 N2×360°（1）

從式1可以看出，相差的精度只與N1、N2有關(guān)，而與被測信號的頻率和計數(shù)時標頻率的精度無關(guān)，從而消除了這兩者對測量精度的影響。此方案的相位測量精度高且便于控制。在得到相位差Δ漬數(shù)據(jù)之后，再通過查詢ROM表的方法，將Δ漬轉(zhuǎn)換為對象的相位控制字，反饋至DDS信號中進行信號調(diào)整。

四、幅值的測量與跟蹤

由于輸出通道的元件誤差和輸出內(nèi)阻的存在，輸出的正弦信號會受到輸出通道和負載兩個部分的影響。所以需要具備幅度反饋回路來保證輸出的正弦波的幅度精度。交流信號幅度的測量一般通過交直流轉(zhuǎn)換電路（AC/DC）來實現(xiàn)，也就是說把所要測量的交流信號轉(zhuǎn)換成直流的電平，再對直流電平進行測量與校準。

對于信號的幅值測量與校準，首先將DDS產(chǎn)生的兩路正弦信號f1，f0通過交直流轉(zhuǎn)換電路（AC/DC），將交流信號的有效值轉(zhuǎn)換為直流電平值V1，V0，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/DC），將電平值轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號。接下來將數(shù)字信號值與MSP430單片機內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的12位幅值控制字VREF進行比較調(diào)整。然后再將校準之后的電平值數(shù)字值U0通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（D/AC）成模擬電平值V0，最后將模擬電平V0值作為參考電平送至DDS信號源的D/AC電路中，完成對信號幅值的校準。

五、系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)FPGA處理單元采用的是Altera公司的Cyclone_II系列的EP2C5Q208C8芯片，外部晶振頻率為50MHz；單片機處理單元采用德州儀器（TI）的MSP430F169芯片，內(nèi)含12位D/AC轉(zhuǎn)換通道。在對系統(tǒng)的功能進行測試時，分兩部分來完成：第一部分，測試單片機對幅值的校準；第二部分，測試FPGA對相位差的測量校準，用示波器顯示實驗結(jié)果。

第一部分，設(shè)置單片機內(nèi)部的幅值控制字為2V，在輸出信號通過負載電路之后，幅值發(fā)生了偏移，但是通過幅值反饋的調(diào)整，又很快地進行了校準。測試時，信號幅值的分辨率可以達到0.05V。

第二部分，對相位差的測量校準結(jié)果如圖5所示。設(shè)定最初的輸入信號為：

S1（t）=S0（t）=2sin（100仔t）（2）

其中（a）為DDS輸出的正弦信號沒有接負載、也沒有接跟蹤反饋的情況，兩路信號同頻同相；（b）在（a）的基礎(chǔ)上接上跟蹤校準電路，由于沒有負載，因此相位差也沒有變化；（c）在（a）的基礎(chǔ)上加入負載但不加入跟蹤校準，由于負載的影響，兩路信號的相位發(fā)生了約90角的偏移；（d）在（c）的基礎(chǔ)上添加相位跟蹤校準，將負載引入的相位偏移進行了校準。

六、小結(jié)

采用FPGA和DDS技術(shù)，輸出兩路頻率相同、相位差精確可調(diào)的正弦信號，并且通過MSP430能對頻率及相位能夠快速切換，得到頻率及相位精確可調(diào)的信號，并能實現(xiàn)幅度的可調(diào)。該方法比傳統(tǒng)的模擬移相系統(tǒng)精確度更高，也比一般直接用單片機實現(xiàn)數(shù)字移相更為簡單快捷，同時信號也更穩(wěn)定。另外，由于加入了相位跟蹤校準與幅值校準，使得本系統(tǒng)具有無需手動調(diào)節(jié)、受外界干擾小的優(yōu)點，同時也可應(yīng)用到其他相位補償系統(tǒng)中，在實際應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。

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