基于EMP 7128的数字式相位测量仪

liyf · 发表于 2014-10-5 13:58:15

基于EMP 7128的数字式相位测量仪

摘要：分析了基于Altera公司CPLD芯片EMP7128SLC84-15进行相位测量的基本原理，给出了用EMP7128SLC8415进行相位测量的硬件实现电路及ＶＨＤＬ源程序。 关键词：EMP 7128SLC84-15；CPLD；相位；频率
１器件简介
ＥＭＰ７１２８ＳＬＣ８４－１５是Ａｌｔｅｒａ公司的ＭＡＸ７０００Ｓ系列ＣＰＬＤ，它采用ＣＭＯＳ工艺，并以第二代矩阵结构为基础，实际上也是一种基于Ｅ２ＰＲＯＭ的器件。ＥＭＰ７１２８ＳＬＣ８４－１５有８４个引脚，其中５根用于ＩＳＰ（ＩｎＳｙｓｔｅｍＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）下载，可方便地对其进行在系统编程。此器件内集成了６０００门，其中典型可用门为２５００个，有１２８个逻辑单元，６０个可用Ｉ／Ｏ口，可单独配置为输入、输出及双向工作方式，２个全局时钟及一个全局使能端和一个全局清除端。ＥＭＰ７１２８ＳＬＣ８４－１５支持多电压工作，其传输延时为７．５ｎｓ，最高工作频率高达１２５ＭＨｚ，并支持多种编程方式，同时可利用Ａｌｔｅｒａ公司的第三代开发软件Ｍａｘ＋ＰｌｕｓＩＩ方便地进行仿真、综合和下载。

２　系统工作原理
图１所示是一个数字式相位测量仪的系统工作示意图。图中，输入的比较信号ｂ与参照信号ａ，经参数相同的整形电路变换为正方波后，将两个方波进行异或（在ＣＰＬＤ中完成），同时与测得信号的频率ｆ（由ＣＰＬＤ设计一频率计完成）再异或，然后将得到的信号经２ｆ倍频，再将此信号作为闸门，并在其高电平时段利用高频时钟ｆｃ进行计数，最后在下降沿时将计数值读出并设为Ｎ，则相位为：
Ｐｈａｓｅ＝１８０ °Ｎ／ｆｃ
该相位测量仪表系统除整形电路外，其余均可由ＣＰＬＤ完成。计数所使用的晶振频率为４ＭＨｚ时此系统的分辨率为１８０°／（４×１０６）＝（４．５×１０－５）°。

３　基于ＣＰＬＤ的程序设计
设计系统软件时运用ＶＨＤＬ语言，可将系统分为频率计、分频器、相位计数器３个子模块，现对其分别进行描述：
(１)频率计
ｌｉｂｒａｒｙｉｅｅｅ;
ｕｓｅｉｅｅｅ．ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_１１６４．ａｌｌ;
ｕｓｅｉｅｅｅ．ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｕｎｓｉｇｎｅｄ．ａｌｌ；
ｅｎｔｉｔｙｆｃｏｕｎｔｅｒｉｓ
ｐｏｒｔ(ｓｉｇ:ｉｎｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ; －－输入信号
ｃｌｋ:ｉｎｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ; －－０．５Ｈｚ的闸门信号，可由晶振分频得到
ｃｏｕｎｔｅｒ:ｏｕｔｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(１９ｄｏｗｎｔｏ０));
－－计数输出
ｅｎｄ;
ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｄａｔａｏｆｆｃｏｕｎｔｅｒｉｓ
ｓｉｇｎａｌｔｅｍｐ:ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(１９ｄｏｗｎｔｏ０);
ｂｅｇｉｎ
Ｐ１:ｐｒｏｃｅｓｓ(ｓｉｇ)
ｂｅｇｉｎ
ｉｆｓｉｇ＇ｅｖｅｎｔａｎｄｓｉｇ＝‘１’ｔｈｅｎ
ｉｆｃｌｋ＝‘１’ ｔｈｅｎ
ｔｅｍｐ＜＝ｔｅｍｐ＋１; －－在闸门的高电平时段计数
ｅｌｓｅ
ｔｅｍｐ＜＝“００００００００００００００００００００”　
－－在闸门的低电平时段清零
ｅｎｄｉｆ;
ｅｎｄｉｆ;
ｅｎｄｐｒｏｃｅｓｓＰ１;
Ｐ２ｐｒｏｃｅｓｓ(ｃｌｋ)
ｂｅｇｉｎ
ｉｆｃｌｋ′ｅｖｅｎｔａｎｄｃｌｋ＝′０′ ｔｈｅｎ
ｃｏｕｎｔｅｒ＜＝ｔｅｍｐ;在闸门的下降沿将数据读出
ｅｎｄｉｆ;

ｅｎｄｐｒｏｃｅｓｓＰ２;
ｅｎｄ;
由于闸门采用的是０．５Ｈｚ的方波，因此输出数值即为频率值。
(２) 分频模块
通过此模块可对频率计得到的频率进行分频，也可在异或后再分频得到频率为０．５Ｈｚ的矩形波。
ｌｉｂｒａｒｙｉｅｅｅ;
ｕｓｅｉｅｅｅ．ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_１１６４．ａｌｌ;
ｕｓｅｉｅｅｅ．ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｕｎｓｉｇｎｅｄ．ａｌｌ;
ｅｎｔｉｔｙｆｅｎｉｓ
ｐｏｒｔ(ｑｉｎ:ｉｎｓｔｄ_ｌｏｇｉｃｖｅｃｔｏｒ(１９ｄｏｗｎｔｏ０);－－连接频率计输出的频率值
ｑｏｕｔ:ｏｕｔｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ);
ｅｎｄ;
ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｄａｔａｏｆｆｅｎｉｓ
ｓｉｇｎａｌｔｅｍｐ:ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(１９ｄｏｗｎｔｏ０);
ｓｉｇｎａｌａ:ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;
ｂｅｇｉｎ
ｐｒｏｃｅｓｓ(ｔｅｍｐ)
ｂｅｇｉｎ
ｉｆｔｅｍｐ＜ｑｉｎｔｈｅｎ
ｔｅｍｐ＜＝ｔｅｍｐ＋１;
ｅｌｓｅ
ｔｅｍｐ＜＝“００００００００００００００００００００”;
ａ＜＝ｎｏｔａ;
ｅｎｄｉｆ;
ｑｏｕｔ＜＝ａ; 　－－进行２ｆ倍分频
ｅｎｄｐｒｏｃｅｓｓ;
ｅｎｄ;
３　相位测量
该模块将分频模块得到的信号作为闸门，然后利用外部晶振进行计数，其设计原理与频率计相同。由于相异或的一个周期对应输入的两路方波信号的半个周期（１８０°），而且只能测量到最大１８０°的相位差，因此还须判断超前或滞后，才能测量出大于１８０°的相位差，具体程序如下：
ｌｉｂｒａｒｙｉｅｅｅ;
ｕｓｅｉｅｅｅ．ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_１１６４．ａｌｌ;
ｅｎｔｉｔｙｐｒｅ_ｌａｇｉｓ
ｐｏｒｔ(ｓ１,ｓ２:ｉｎｓｔｄ_ ｏｇｉｃ;　－－两输入信号
ｐｒｅ:ｏｕｔｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ);　－－判断结果输出
ｅｎｄ;
ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｄａｔａｏｆｐｒｅ_ｌａｇｉｓ
ｂｅｇｉｎ
ｌａｇ:ｐｒｏｃｅｓｓ(ｓ１)
ｂｅｇｉｎ
ｉｆｓ１′ｅｖｅｎｔａｎｄｓ１＝′１′ ｔｈｅｎ
ｉｆｓ２＝′０′ｔｈｅｎ
ｐｒｅ＜＝′１′;　－－若ｓ１超前ｓ２,输出为
′１′，否则输出′０′;
ｅｌｓｅ
ｐｒｅ＜＝′０′;
ｅｎｄｉｆ;
ｅｎｄｉｆ;
ｅｎｄｐｒｏｃｅｓｓｌａｇ;
ｅｎｄ;
(４) 模块的组合

图3

在Ｍａｘ＋ＰｌｕｓＩＩ中，采用原理图输入方式可将上述各模块组合成一个软件系统，然后将其综合下载到ＣＰＬＤ即可完成相位测量仪的设计，其具体设计图见图３所示。
图３中，Ａ、Ｂ为输入信号ａ、ｂ经过整形得到的方波信号。Ｆｃｏｕｎｔｅｒ为频率计模块，Ｆｅｎ为分频器，Ｐｈａｓｅｃｏｕｎｔｅｒ为相位测量计数器，Ｐｒｅ－ｌａｇ为超前滞后判断模块。

４　结束语
基于ＣＰＬＤ逻辑器件ＥＭＰ７１２８ＳＬＣ８４－１５构成的相位测量系统具有测量频带宽、分辨率高、误差小、成本低、简单易行等优点，完全能够满足实际测量的要求。而且，由于完全采用的是ＣＰＬＤ设计，因此，该系统十分易于升级。

李小路 · 发表于 2021-6-30 17:43:09

谢谢分享！

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