基于微處理器的寬頻帶相位測量系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[圖]

相位測量在工業(yè)自動化儀表、智能控制及通信電子等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，對相位測量的要求也逐步向高精度、智能化方向發(fā)展。對于低頻相位測量，一般采用數(shù)字脈沖填充法對輸入信號的相位進行測量都能實現(xiàn)。但是，要想滿足一定的測量精度就要求微處理器的時鐘頻率足夠高。

同樣，運用此方法對高頻信號進行測量時，由于相位差相對較小，一般的微處理器時鐘頻率，已經(jīng)無法滿足高精度的計數(shù)要求，這樣必然會影響相位測量的精度。所以，必須提高標準時鐘的計數(shù)頻率，才能滿足測量要求。這樣，一方面增加了設(shè)計本身的難度，另一方面也提高了選用元器件的要求。本系統(tǒng)首先采用頻率變換法將高頻輸入信號轉(zhuǎn)換成低頻信號后，且保持原信號的相位不發(fā)生變化，再利用基于ADuC7128為控制核心的數(shù)字測相系統(tǒng)進行測量，從而完成了寬頻帶輸入信號的相位測量。

1 差頻變換原理的引入

利用數(shù)學(xué)模型將被測信號和參考信號描寫成如下形式：

被測信號：

參考信號：

其中：A為被測信號的幅值；B為參考信號的幅值；f為被測信號的頻率；f0為參考信號的頻率；θ是被測信號的幅角。

同時，將兩個信號y1和y2送入混頻器內(nèi)進行混頻操作相乘后，會得到信號y3。

再將y3送入低通濾波器進行濾波處理，濾除高頻信號，剩下的低頻信號數(shù)學(xué)表達式為：

y3與y1相比，幅度呈線性變化，幅角不變，但頻率降低，其頻率是被測信號與參考信號的頻率差。對于測量y3來說，比直接測量y1容易得多。這樣把差頻變換法應(yīng)用到高頻信號的相位測量上，既可以提高相位測量的精度，又可以拓寬輸入信號的頻帶。

2 數(shù)字測相系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，本系統(tǒng)主要由信號調(diào)理電路、頻率變換電路以及微處理器控制電路3部分組成。

圖1 硬件電路原理框圖

2.1.1 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路要完成對輸入信號的耦合、衰減、放大、電平調(diào)整等功能，系統(tǒng)有良好性能的前端模擬通道是進行高精度測量所必須的［3］。本設(shè)計中的兩路信號調(diào)理通道CH1和CH2具有完全相同的對稱結(jié)構(gòu)，且同時對輸入信號進行信號調(diào)理。

2.1.2 頻率變換電路

模擬乘法器是一種完成兩個模擬信號相乘的電子器件，由于乘法器與雙平衡混頻器相比具有更好的線性。因此，本設(shè)計選用了ADI公司的AD834芯片作為系統(tǒng)的混頻器使用，利用AD834將待測信號與ADuC7128內(nèi)部DDS模塊產(chǎn)生的參考信號進行混頻后，再將差頻信號以單端電壓信號的方式輸出。

頻率變換電路如圖2所示，AD834的引腳X1和Y2均與地相連，將待測信號與參考信號分別以單端輸入的形式輸入到AD834的兩個信號端口Y1、X2。選擇Y1、X2 作為單端輸入引腳是因為這兩個引腳離輸出端比較遠，選擇它們作為輸入可以減小輸入信號到輸出端的耦合分量。根據(jù)設(shè)計需要，在AD834后面接入一個具有高開環(huán)增益的運算放大器OP-07，通過OP-7和R7、R6組成I /V轉(zhuǎn)換電路，這樣就可以將乘法器的輸出信號由雙端差分電流形式轉(zhuǎn)化為單端電壓形式。

圖2 頻率變換電路

2.1.3 微處理器控制電路

在進行頻率轉(zhuǎn)換時，需要一個頻率可調(diào)的信號源提供參考信號。以ARM7為內(nèi)核開發(fā)的高性能微處理器ADuC7128內(nèi)部集成了一個輸出頻率可達到25MHz的DDS模塊，信號的輸出電壓在1V左右。其技術(shù)指標滿足了作為參考信號的要求。同時，ADuC7128可通過內(nèi)部PLL進行時鐘倍頻，最高工作頻率可達41.78MHz，工作電壓在圖3ADuC7128控制電路3.0～3.6 V 范圍內(nèi)。ADuC7128微處理器自身結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，能夠有效提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。ADuC7128微處理器的控制電路，如圖3所示。

圖3 ADuC7128控制電路