基于微处理器的宽频带相位测量系统的设计与应用[图]

相位测量在工业自动化仪表、智能控制及通信电子等许多领域都有着广泛的应用，对相位测量的要求也逐步向高精度、智能化方向发展。对于低频相位测量，一般采用数字脉冲填充法对输入信号的相位进行测量都能实现。但是，要想满足一定的测量精度就要求微处理器的时钟频率足够高。

同样，运用此方法对高频信号进行测量时，由于相位差相对较小，一般的微处理器时钟频率，已经无法满足高精度的计数要求，这样必然会影响相位测量的精度。所以，必须提高标准时钟的计数频率，才能满足测量要求。这样，一方面增加了设计本身的难度，另一方面也提高了选用元器件的要求。本系统首先采用频率变换法将高频输入信号转换成低频信号后，且保持原信号的相位不发生变化，再利用基于ADuC7128为控制核心的数字测相系统进行测量，从而完成了宽频带输入信号的相位测量。

1 差频变换原理的引入

利用数学模型将被测信号和参考信号描写成如下形式：

被测信号：

参考信号：

其中：A为被测信号的幅值；B为参考信号的幅值；f为被测信号的频率；f0为参考信号的频率；θ是被测信号的幅角。

同时，将两个信号y1和y2送入混频器内进行混频操作相乘后，会得到信号y3。

再将y3送入低通滤波器进行滤波处理，滤除高频信号，剩下的低频信号数学表达式为：

y3与y1相比，幅度呈线性变化，幅角不变，但频率降低，其频率是被测信号与参考信号的频率差。对于测量y3来说，比直接测量y1容易得多。这样把差频变换法应用到高频信号的相位测量上，既可以提高相位测量的精度，又可以拓宽输入信号的频带。

2 数字测相系统设计

2.1 硬件结构设计

如图1所示，本系统主要由信号调理电路、频率变换电路以及微处理器控制电路3部分组成。

图1 硬件电路原理框图

2.1.1 信号调理电路

信号调理电路要完成对输入信号的耦合、衰减、放大、电平调整等功能，系统有良好性能的前端模拟通道是进行高精度测量所必须的［3］。本设计中的两路信号调理通道CH1和CH2具有完全相同的对称结构，且同时对输入信号进行信号调理。

2.1.2 频率变换电路

模拟乘法器是一种完成两个模拟信号相乘的电子器件，由于乘法器与双平衡混频器相比具有更好的线性。因此，本设计选用了ADI公司的AD834芯片作为系统的混频器使用，利用AD834将待测信号与ADuC7128内部DDS模块产生的参考信号进行混频后，再将差频信号以单端电压信号的方式输出。

频率变换电路如图2所示，AD834的引脚X1和Y2均与地相连，将待测信号与参考信号分别以单端输入的形式输入到AD834的两个信号端口Y1、X2。选择Y1、X2 作为单端输入引脚是因为这两个引脚离输出端比较远，选择它们作为输入可以减小输入信号到输出端的耦合分量。根据设计需要，在AD834后面接入一个具有高开环增益的运算放大器OP-07，通过OP-7和R7、R6组成I /V转换电路，这样就可以将乘法器的输出信号由双端差分电流形式转化为单端电压形式。

图2 频率变换电路

2.1.3 微处理器控制电路

在进行频率转换时，需要一个频率可调的信号源提供参考信号。以ARM7为内核开发的高性能微处理器ADuC7128内部集成了一个输出频率可达到25MHz的DDS模块，信号的输出电压在1V左右。其技术指标满足了作为参考信号的要求。同时，ADuC7128可通过内部PLL进行时钟倍频，最高工作频率可达41.78MHz，工作电压在图3ADuC7128控制电路3.0～3.6 V 范围内。ADuC7128微处理器自身结构紧凑、体积小，能够有效提高系统的集成度和可靠性。ADuC7128微处理器的控制电路，如图3所示。

图3 ADuC7128控制电路