硕士学位论文-数字相位计的研究与设计.pdf

y 14 3 7 0 7 9 分类号： udc ： 工学硕士学位论文 密级： 编号： 数字相位计的研究与设计 硕士研究生：吴智睿 指导教师：张殿伦教授 学位级别：工学硕士 学科、专业：信号与信息处理 所在单位：水声工程学院 论文提交日期：2 0 0 9 年2 月 论文答辩日期：2 0 0 9 年3 月 学位授予单位：哈尔滨工程大学 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 摘要 目前相位测量技术的研究在很多领域得到重视和发展，国内外提出了很 多高精度的测量算法，而数字信号处理( d s p ) 技术可以有效地运用于信号 参数的高精度测量，为实现复杂测量算法提供保证。本论文主要以d s p 与 c p l d 为系统硬件核心，并结合测量算法方案，设计出一套较完整的数字相 位测量系统，提高了相位和频率的测量精度( 准确度) 。 论文首先详细研究几种主要测相算法，通过m a t l a b 仿真分析这些算法的 特点，提出了一套测量算法方案：先利用一阶线性插值法粗测频，再利用自 适应n o t c h 滤波法细测频，最后利用最小二乘法测相。 在数字测相系统的设计开发中，主要完成硬件电路设计和软件开发两部 分任务。系统硬件电路设计任务主要包括模拟信号调理电路，数字信号处理 模块，d s p 接口电路，系统电源电路的设计与调试工作；系统软件开发主要 完成了c p l d 逻辑代码的编写，测量算法的d s p 软件调试与实现，主机显控 软件的设计。 最后，为验证系统的实际测量性能，搭建以f p g a 为核心的测试平台， 该测试平台用于产生已知频率和相位的j 下弦信号。实验结果表明，本套系统 测量精度高，工作稳定，可以用于实际工程测量中。 另外，本系统还扩展了其它功能以满足实际工程测量需要，主要包括： 高精度测频，四路信号的频率和相位测量，非连续信号( 如c w 脉冲信号) 的频率和相位测量，这些功能是常规相位计不具备的。 关键词：相位测量系统；d s p ；c p l d ；最小二乘算法；n o t c h 滤波算法 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ，t h er e s e a r c ho fp h a s em e a s u r e m e mt e c h n i q u eh a sb e c o m em o r e i m p o r t a n ta n dd e v e l o p e di nm a n yf i e l d s ，m a n ym e a s u r e m e n ta l g o r i t h m sh a v eb e e n p r e s e n t e di nd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h ，a n dt h et e c h n i q u eo fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ( d s p ) c o u l db ea p p l i e di nh i g hp r e c e i e dm e a s u r e m e n to ft h es i g n a l p a r a m e t e r ，i t sp o s s i b l et oi m p l e m e n ts o m ec o m p l e xm e a s u r e m e n ta l g o r i t h m s d s p a n dc p l di st h eh a r d w a r ec o r eo ft h es y s t e mi nt h ep a p e r w i t ht h em e a s u r e m e n t a l g o r i t h ms c h e m e ，t h ew h o l eo fd i g i t a lp h a s em e a s u r e m e n ts y s t e m h a sb e e n d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，i nw h i c ht h em e a s u r ep r e c i s i o no fp h a s ea n df r e q u e n c y p a r a m e t e r si si m p r o v e d s o m ep i v o t a lp h a s em e a s u r e m e n ta l g o r i t h m sh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h e p a p e r ，w i t hs i m u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h ep r o p e r t yo ft h em e t h o d si nm a t l a b ，t h e m e a s u r e m e n ta l g o r i t h ms c h e m ei sp r e s e n t e d ：f i s t l y ，u s el i n e a r i t ya l g o r i t h mt o m e a s u r ef r e q u e n c ya p p r o x i m a t e l y s e c o n d l y ，u s ea d a p t i v en o t c hf i l t e ra l g o r i t h m t om e a s u r ef r e q u e n c yi nh i g hp r e c i s i o n f i n a l l y ，u s et h el e a s ts q u a r ea l g o r i t h mt o m e a s u r ep h a s e i nd e s i g n i n gt h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，t h em a i nw o r ki sd e s i g n i n ga n d d e b u g g i n ga n a l o gs i g n a lc i r c u i t ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，d s pi n e r f a c e c i r c u i t ，s y s t e m sp o w e rs u p p l yc i r c u i ta n ds oo n ；i nt h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ，t h e m a i nw o r ki sc o m p i l i n gc p l dl o g i c a lc o d e ，d e b u g g i n ga n di m p l e m e n t i n gt h e m e a s u r e m e n ta l g o r i t h m sw i md s ps o f t w a r e ，d e s i g n i n g t h e d i s p l a y c o n t r o l s o f e w a r eb a s e do nm a s t e rc o m p u t e r f i n a l l y ，i no r d e rt o t e s tt h ec a p a b i l i t yo ft h em e a s u r e m e ms y s t e m i n p r a c t i c e ，d e s i g nt h et e s tp a t t e mw h i c hi sb a s e do nf p g a ，a n di su s e dt op r o d u c e s i n es i g n a l f r o man u m b e ro fe x p e r i m e n t s m em e a s u r e dp r e c i s i o no ft h es y s t e mi s l l i g ha n dc h a n g e l e s s ，a n dt h es y s t e mc o u l d b eu s e di nt h ep r o j e c tm e a s u r e m e n t i na d d i t i o n ，i no r d e rt of u l f i lt h er e q m r e m e n to fs o m ep r o j e c t s ，t h e r ea r es o m e a d d i t i o n a lf u n c t i o n s ：m e a s u r i n gf r e q u e n c yi nh i g hp r e c i s i o n ，m e a s u r i n gf r e q u e n c y 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 a n dp h a s eo ft h ef o u r - c h a n n e ls i g n a l s ，m e a s u r i n gf r e q u e n c ya n dp h a s eo ft h e i l l l c o n t i n u o u s s i g n a l ( s u c ha sc wp u s l es i g n a l ) ，s o m ec o m m o nm e t e ri s n t p r o v i d e dw i t ht h e s ef u n c t i o n s k e yw o r d s ：p h a s em e a s u r e m e n ts y s t e m ；d s p ；c p l d ；t h el e a s ts q u a r e a l g o r i t h m ；n o t c hf i l t e ra l g o r i t h m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 关留看 日期：夕夕年弓月夕日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：炭留看 日期： 7 年乡月伊 |l 导师( 签字) ： 口年1 月叮 哈尔滨f = 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 相位测量的发展与现状 柏f 妒测量技术的研究由来已久，最早的研究和应用是在数学的矢量分析 和物理学的圆剧运动以及振动学方面，随之在电力部门、机械部门、航空航 天、地质勘探、海底资源等方也棚应得到重视和发展。随着电了技术和汁 并机技术的发胜，七h 化测量技术得到了迅速的发展，目前相位测量技术已较 完善，测量方法及耻论也比鞍成熟，j 臼位删是仪器已系列化和商品 - 7 , 。 现代辅f t 测量技术的发腱可分为二个阶段：第阶段足在早期采1 j 的 诸如阻抗法、和差泄、电压法、比对法和平衡法等，虽然方浊简单，但测 暑精度较低：第阶段是利用数字专用电路、微处理器、f p g a c p l d 、d s p 等构成测相系统，使测黾精度得以大人提高：第= 阶段是充分利崩i i 算机及 智能化虚拟测量技术，从而大大简化没计程序，增强功能，使得相应的产品 精度更高、功能吏命。同时，各种新的算法也随之出现。 在相位频率测龟技术方面，荚国一卣处于领先地位，主要的研究机构及 公司有a g i l e n t ( 安捷伦) 、t e k t r o n i x ( 泰克) 、a d 一丫u 公司及d r a n e t z 实 骑室。俄罗斯，英幽，德国在此领域也具_ f _ j 较高的水半。m l 外的t 要产品有 美田安捷伦公州的般通道a g i l e n t5 3 i3 i a 型通1 1 1 _ t - 数器，该产品提供1 0f 讧 秒的频率川割期分辨率和2 2 5 m h z 带宽，测嚣时i 刨结果范闻足一i n s 1 0s s ，叫削 分辨率为5 0 0 p s ，测相范围为18 0 。3 6 0 。，提供高达1 24 g h z 的频率测量。 标准测量包括相位、频率、周期、时叫i 可隔和j ：7 1 卜降叫间等，具有数学统 计校准功能，产品实物如图11 所示： 罔11a g i l e m5 3 1 3 1 a 型数器蚓1 2s d l 0 0 0 型离精度t _ | | 他训 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 英国a v p o w e r 公司的高精度相位计s d l 0 0 0 ：具有自动量程设置，频率 范围高达7 0 0 k h z ，可直接输入5 0 0 v ( 峰值) 电压信号，用于测量u u 、u i 、 i i ，相位精度0 0 2 0 ，该产品被认为是目i j 最高等级的相位计，输入信号范围 为l m v - - 3 5 0 v ( 5 0 0 vp k ) ，产品实物如图1 2 所示，测量指标参数见表1 1 所 示。通过调研，目前国外商品化的通用相位计的水平为低频段达l x h z 数量级， 甚高频可达1 0 0 g h z ，相位分辨率可达0 0 0 1 0 ，相位测量范围为o - - - 3 6 0 0 或 一1 8 0 0 1 8 0 0 ，在相位准确度( 精度) 方面，低频为士0 0 0 2 0 ，高频为士0 2 0 ， 微波为士o 0 。 表1 1s d l 0 0 0 型相位计测相参数 相位测量范罔 1 8 0o 1 8 0o 或0o + 3 6 0o 0 1 h z 9 9 h z o 0 2o 1d i g i t 相位测量精度 1 0 0 h z 9 9 9 h z 0 0 3 。0 0 0 5 。k n z 1d i g i t 1 k h z 9 9 l z o 0 4 。0 0 0 5o k h z 1d i g i t 1 0 0 k h z 7 0 0 k h z 0 2 5o 0 0 0 3o k n z 1d i g i t 相位分辨率 0 0 1 o 国内测相领域起步比较晚，相位测量技术的研究从7 0 年代开始1 ，早期 研究相位测量的单位和技术人员较少，国内生产商品化相位计的主要厂家仅 有天津中环电子仪器公司，相位计量机构是中国计量科学研究院和国防科工 委，产品也主要针对于工频信号( 5 0 h z ) 的相位测量。目前国内相位计产品 化发展迅速，如深圳新创仪器仪表s p 3 1 2 b 系列等精度通用计数器相位计， 产品如图1 3 所示，它以高性能的a v r 单片机与c p l d 为核心，测频分辨率 8 位秒，测周范围1 0 n s “ - 7 0 0 0 s ，测时范围4 0 n s - - 7 0 0 0 s ，相位测量范围0 。 3 6 0 。，测相精度0 0 5 。，测量功能与a g i l e n t5 3 1 3 1 a 型计数器基本相同，但 测量指标略低。还有天津中环科仪电子仪器公司h g 4 1 8 0 型数字相位计，主 要针对与工业测量领域，产品如图1 4 所示。 总的来说，我国的相位测量技术与国外有较大的差距，主要体现在产品 种类较少，配套产品少；产品测试功能单一；仪器精度、数字化和自动化程 度不高；相位计量标准不完备吲。因此对高精度相位测量算法的研究和相位 计产品化设计刻不容缓。 2 oo 图13s p 3 1 2 b 型等精度通用计数器图14h g 4 1 8 0 型数字相位计 h i i i 到内外各种新的测毓算法、测毓手段和新的殴计力法及器件也随之 卅现“”“”， - 要也括有： 1j h 圳l j 数，处理芯片，利用f 余坛表格及傅立i i 变换办法来计算_ 相位 芦，ic j 以人人提高测巨精度。 2采用新器什及设计力法提高相位洲最精度及艘宽l 作频一 ：范嗣。 3 采用新的算浚、米进 h - q 、日位测试。 另外，现代电子测董仪器，智能测繁技术、训算机技术紧紧结合仵起， 每次汁算机技术和电子技术的毕命部带来电r 测最仪器的瞽命。此，j l 有不i t j i f l j 采用新技术和新方法，爿能使相位的h 珀和精度得以小断的提岛。 1 2d s p 技术的发展与现状 数宁处i t e 技术的发展l 新月异，随着集成电路技术和软什技术的小断发 艘和解决复杂j ju 题能力的不断提高，d s p 技术的m 现使得测量仪器集成度高， 稳定陆好，测量述度快，精度高，操作简捷，功能也越来越强大。f 简要 介宝f d s p 技术的发展历程与现状： d s p 专j 先成各利啧时数宁信息处理”，它足建立存数字信弓处i q ，的各 利- 州沦j f 【j 算法堆础l 。的。第一个d s p 微处理器i n t e l 2 9 2 0 j 现在19 7 6 年，接 钉是19 8 2 印的a m d 2 8 1 i ，n e c p p d 7 7 2 0 ，德卅i 仪器公司的t m s 3 2 0 1 0 。2 8 1 1 和7 7 2 0 嘶析部行片j 阵列乘法器，都何l j 编棵r o m ；f | | ；i = _ | 刈小的数槲平槲卜 ，址守川i i 。3 2 0 1 0 是第一个n ，令速从片外r a m 执行指令的微处理器，且容纳 n j 程剖f 也比7 7 2 0 人一个数砖缎。第阶段的d s p 只有卜列特点：指令流水， 仃效的、址模j ，自j 稚j 卜蜩川和地址传递m 泌；使r | 】h a r v a r d 结构，【z 巾日 叫耿指令和数槲：特殊的d s p 相刈寻址模式( 如变址计算任意数的模式) ， 刈j f i r ( f i n i t el e n g t hi m p u ls e r e s p o n s e ) f l 憾波器一功循叫、队列或数掘移动， 1 哈尔滨+ l ：祥人学硕十学位论文 对于f f t 的比特反转；附加的寻址a l u ；对于特殊应用的接口( 如对于通信 编码的串行接口) 。d s p 系统主要由分立元件组成，包