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1、西安邮电学院毕业设计（论文）开题报告自动化学院（系）测控技术与仪器 专业10级上班课题名称： 相位测量仪的设计与制作学生姓指导教师报告日期学号：王雁平一、本课题所涉及的问题及应用现状综述1、本课题涉及的问题：在测量信号相位时，因线路或器件的原因会产生各种误差。例如： 比较器门限电平(门槛电压)的存在，使两路信号过零点的时间发生改变，可能发生相位差的改变；(2) 两路信号频率改变使引入的零点偏离误差；(3) 二次(或多次)谐波会造成输入信号波形畸变，使两路信号过零点或中心点发生变化，引起相位差的改变；(4) 两路信号(输入信号或参考信号)因通过两路放大处理电路，产生不同相位移而造成误差；(5)
2、两路输入幅度不同对相位测量的影响。上述影响中，无论是单项的或者综合的，在实际测量中，都会严重影响测量的精度及稳定性。因此想要提高精 度分和辨率，尽早缩小与国外产品的差距，必须对以上各方面进行研究和改进。目前，国内相位测量仪生产厂家或研 究单位明显存在技术老化问题，其采用的器件、方法和技术和技术先进国家相比有较大的差距。而最近发展起来的先 进的计算机技术、电子技术等却由于资金、管理、技术等方面的原因还没能应用于相位测量技术，因此我国内相位测 量仪的水平与国外水平有着很大的差距。同时，随着国防和科教等方面的发展，迫切需要高精度高性能的相位测量仪。 由此可知，为缩小这一差距，对相位测量仪的研究刻不容
3、缓。本论文对相位测量仪的研究是从理论误差、新技术、及 新器件在相位测量中的应用展开的。本文对造成相位误差的主要因素进行了详细分析，并提出了改进的方法。经过系 统地分析、研究了相位测量仪的原理及当今先进的计算机技术、新的设计方法，在国外最新相位技术的基础上，将先 进的计算机技术和新一代器件及新的设计技术方法应用于相位测量仪，来提高测量的精度，扩展相位计的功能，获得 更好的效果。除此之外还要解决相位测量仪能在恒定时间内保持精度稳定，使其在现场能正常稳定的工作。2、应用现状综述2011年是相位测量仪器行业发展非常关键的一年，首先，从外部环境来讲,2011年是我国相位测量仪器行业“十 二五”规划的开始
4、年，影响行业发展的新法规、新政策都将陆续出台。转变经济增长方式，严格的节能减排对相位测 量仪器行业的发展产生了深刻的影响，此外，还有来自通货膨胀、人民币升值、人力资源成本上升等因素的影响；从 企业内部来讲，产业链各环节的竞争、技术工艺的升级、出口市场逐步萎缩、产品销售市场逐渐复杂等问题，都是企 业决策者所必须面对和急需解决的。随着科学技术迅猛的发展，电子科学技术广泛应用于工业、农业、交通运输、航 空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学 技术中占有举足轻重的作用和地位。相位测量仪在工业领域中是常用到的测量工具，比如在电力系统中电网并
5、网合闸时，要求两个电网的电信号相同， 这就要求精确地测量两列同频信号之间的相位差。测量两列同频信号的相位差在研究系统的频率特性中具有重要的意 义。近年来，随着科学技术突飞猛进的发展，很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”方向发展，这使得 仪器简单化，功能也越来越多。我国独立发展、自主运行的北斗卫星导航系统不断成熟，为相位测量提供了更加安全、可靠的同步时钟。随着硬 件设备的速度、精度和可靠性的快速发展，为实现实时控制和高性能算法奠定了基础。相位测量装置变电站的安装、 分布式同步相位测量装置的实现，将会得到更加深入的探索和实践。相位测量装置的研制，将会使功能更加完善、更 加可靠，其应用范围
6、也将逐渐从小范围开始应用、简单检测系统运行状态、向大范围网络优化应用方向发展，由于相 位测量数据应用研究的不断深入，将使电力系统实时动态检测系统向着集控制、监测和高级分析功能为一体的方向发 展。二、本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析1、研究(设计)内容和拟解决的关键问题1研究内容(1) 研究基于FPGA的低频数字相位测量仪的设计。(2) 建立基于FPGA的低频数字相位测量仪系统模型，并实现仿真(3) 采用FPGA/CPLD和单片机相结合，构成整个系统的测控主体。(4) 使得测量分辨率精确到0.1，测得的频率与相位差值送入LED进行显示。2 研究途径参阅资料和文献
7、，系统学习基于FPGA的低频数字相位测量仪制作的技术，本系统硬件设计应用了 EDA技术，软件设计采用基于C51的模块化设计技术，建立完整仿真模型并仿真，实现基本的控制过程。本系统以单片机和FPGA 为核心，辅以必要的模拟电路，构成了一个基于具有高速处理能力的FPGA的低频数字式相位测量仪。该系统由相位测量仪、数字式移相信号 发生器以及移相网络组成；移相网络能够产生-4545。相位差的两路信号；相位测量仪能够测量出具有0 359的两路信号的相位差；而 数字式移相信号发生器能够产生出相位差为0 359的且具有数字设置步进为1。的两路输出信号。3 技术路线(1) 根据低频数字相位测量仪的特点采用FP
8、GA技术，通过软件和硬件的充分结合实现控制过程。(2) 低频数字相位测量仪的频率测量由FPGA来完成，可以实现高速、高精度的要求。(3) 为使产生的信号平滑，采用滤波电路对波形的进行后级处理。采用最简单的无源RC低通滤波器。(4) (4)通过发光二极管的显示来模拟显示测量结果。(5) 在电脑与模拟试验箱上实现仿真过程，达到设计的预期效果。4 拟解决的关键问题所要解决本课题的主要问题是：系统控制策略的开发和仿真，并实现自适应功能，以及系统程序的设计和调试。1、项目研究内容：该项目主要研究相位测量仪的设计与制作，该系统由相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三个模块构成，分 别由两块单片机独立
9、地实现控制与显示功能。2、关键技术：信号采样及过采样技术，单片机，汇编，C语言设计，protues技术，测控技术。3、研发目标：a. 频率范围：20Hz20kHz。b. 允许两路输入正弦信号峰一峰值可分别在1V5V范围内变化。c. 相位测量绝对误差W2。d. 具有频率测量及数字显示功能。根椐设计任务书的要求，我参考了一些相关资料书，经过认真分析，提出了方案：相位测量仪是利用锁相环PLL (Phase Lock Loop)技术组成相位差测量仪。基准信号与待测信号进行异或后的信号作为计数器的闸 门控制信号来控制计数器，使计数器在待测信号与基准信号之间的相位差间计数，则计数器计出来的数值则为待测信号
10、与基准信号间的相位 差。数字频率计实际上就是一个脉冲计数器即在单位时间里(如1S)所统计的脉冲个数。图1是数字频率计原理广框图。该系统主要由输 入整形电路、晶体振荡器、分频器及量程选择开关、门控电路、闸门、计数译码显示电路等组成。首先，把被测信号(以正弦波为例)通过放 大、整形电路将其转换成同频率的脉冲信号，然后将它加到闸门的一个输入端。闸门的别一个输入端是门控电路发出的标准脉冲，只有在门 控电路的输入高电平的时间T是非常准确的，它由一个高稳定的石英振荡器和一个多级分频器及量程选择开关共同决定。逻辑控制电路是控 制计数器的工作顺序的，使计数器按照一定的工作程序进行有条理的工作(例如准备一一计数一一显示清零一一准备下一次测量)。此方案的创新点在于以单片机为控制核心，结合可编程逻辑控制芯片CPLD两者共同构成整个系统的测控主体。CPLD具有集成度高、I /0资源丰富、稳定可靠、可现场在线编程等优点，而单片机具有良好的人机接口和运算控制功能，将单片机控制技术和EDA应用技术结合 起来，不仅简化了硬件结构，操作简单，可靠性大大提高。本报告必须由承担毕业论文（设计）课题任务的学生在毕业论文（设计） 正式开始的第1 周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。
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