基于51單片機和FPGA的頻率特性測試儀的設計

2．4 相位測量模塊的方案
該模塊采用相位一時間轉化法。兩個頻率相同、相位不同的正弦信號經整形異或運算后產生脈寬為Tx、周期為T的方波,相位差與(TX/T)之間始終存在一一對應關系。因此無論頻率如何變化，只要測出(Tx／T)，相位差的大小也就確定。

3 理論分析與計算
3．1 DDS相關計算
由DDS原理可得：
式中，N為相位累加器位數(shù)，K為頻率控制字。
當K=1時，可知DDS的最低輸出頻率為：

此即DDS的頻率分辨率。
(1)移相信號發(fā)生器部分DDS由于輸出級D／A轉換器DAC0800的建立時間為100 ns，則時鐘頻率應小于10 MHz，取時鐘頻率fout=8．388 608 MHz，相位累加器N=23bit，則：

(2)掃頻信號部分DDS 由于FPGA片內資源豐富，為保證足夠的掃頻精度，取參考時鐘頻率fclk為40 MHz。通過控制頻率控制字K的變化范圍，完全可以滿足DAC0800的速度要求。
3．2 相位測量相關計算
由FPGA利用等精度法測得被測信號和基準時鐘的頻率分別為f0、fCP，對被測信號鑒相后，由得到的相位差脈沖寬度T控制計數(shù)器計數(shù)，其計數(shù)值設為M，則被測信號的相位差為：

(1)相位測量誤差計算 若讓計數(shù)器在1 s內累計記數(shù)，則累計數(shù)：M1=Mf0，式(5)改為

其測量誤差△φ為：

(2)相位測量分辨率計算 數(shù)字移相信號發(fā)生器頻率范圍為20 Hz～20 kHz，相位差測量范圍為0~359°，因此計數(shù)器時鐘頻率fclk至少為72 MHz，取fCP=100 MHz，由于計數(shù)器分辨率為±1，對應最小相位分辨率(f0=20 kHz時)：

4 系統(tǒng)整體框圖
系統(tǒng)設計發(fā)揮FPGA穩(wěn)定、可靠、可編程的特點，讓FP-GA實現(xiàn)盡可能多的功能，從而減少模擬部分的工作，使整個設計更加可靠。系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。