頻率信號產(chǎn)生電路的實現(xiàn) - 相位式光纖測量電路系統(tǒng)設(shè)計方案

　　頻率信號產(chǎn)生電路在FPGA中頻率控制模塊的控制下，產(chǎn)生高精度正弦主振信號和本振信號，分別用于光調(diào)制和混頻。此電路產(chǎn)生的信號要求頻率可調(diào)，且具有高的頻率穩(wěn)定性和低的相位噪聲，相位抖動小，以保證最終的測量精度。

　　在本系統(tǒng)中，我們基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)進(jìn)行信號產(chǎn)生。DDS的實現(xiàn)，使用芯片AD9951。AD9951是一個可控的頻率合成芯片，具有32位頻率轉(zhuǎn)換字，最大合成頻率為160MHz。系統(tǒng)中采用兩塊AD9951，分別產(chǎn)生主振信號和本振信號。FPGA通過該芯片的控制端口，對其產(chǎn)生的信號頻率進(jìn)行控制。其控制時序如圖4所示。

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　　AD9951產(chǎn)生的頻率信號具有一定的雜散，系統(tǒng)中使用七階橢圓低通濾波器進(jìn)行濾波，然后使用運算放大器AD8007進(jìn)行信號放大。電路框圖如圖5所示。該電路產(chǎn)生的50MHz的正弦信號如圖6所示。

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　　2.2.3 混頻鑒相電路

　　由于測量信號頻率較高，直接對其進(jìn)行鑒相難以達(dá)到良好的鑒相精度，因而在系統(tǒng)中采用混頻的方法進(jìn)行差頻鑒相。在差頻鑒相中，參考信號和測量信號同時與本振信號進(jìn)行混頻，濾除混頻后高頻分量，得到混頻后低頻參考信號和混頻后低頻測量信號?；祛l降低了信號頻率，但保持相位差不變，便于鑒相操作。相位差的檢測使用自動數(shù)字鑒相法。其原理如圖7所示。參考信號和測量信號通過過零比較，得到參考方波信號和測量方波信號。比較兩方波信號，得到兩者之間的相位差信號，然后使用高頻計數(shù)脈沖對相位差信號，然后使用高頻計數(shù)脈沖對相位差信號進(jìn)行計數(shù)。設(shè)參考信號和測量信號的周期為f，高頻計數(shù)脈沖的頻率為fc，一個周期內(nèi)的計數(shù)值為M，則相位差為：φ=2πMf /fc。為了減小偶然誤差，提高鑒相精度，可以對多個周期計數(shù)求平均。設(shè)N個周期的計數(shù)值為M"，則φ=2πM"f/Nfc。

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　　混頻電路的實現(xiàn)基于混頻器AD831。使用兩片AD831，分別用于參考信號與本振信號混頻及測量信號與本振信號混頻?；祛l后使用芯片MAX274進(jìn)行帶通濾波，得到混頻后的低頻正弦信號。然后通過基于MAX912的過零比較電路將正弦信號轉(zhuǎn)換為同相位差的方波信號，輸入到FPGA中進(jìn)行鑒相。在FPGA中，利用多周期自動數(shù)字鑒相法，對相位差進(jìn)行檢測。其實現(xiàn)框圖如圖8所示。

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　　3 測量結(jié)果

　　在實際測量中，利用組合測尺頻率先后進(jìn)行兩次測量。第一次取主振信號頻率為52MHz，本振信號頻率為51.99MHz;第二次取主振信號頻率為51MHz，本振信號頻率為50.99MHz。對應(yīng)于混頻后信號頻率為10kHz。FPGA中鑒相高速計數(shù)脈沖頻率為50MHz。基于以上參數(shù)，對多段光纖進(jìn)行測量。兩次測量的結(jié)果進(jìn)行分析比較，可得到測量值。被測光纖的實際光程已由精密反射儀通過光學(xué)方法進(jìn)行標(biāo)定。測量結(jié)果如表1所示。

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　　由以上測量結(jié)果可以看到，在一定的量程范圍內(nèi)，基于相位法的測量系統(tǒng)，對光纖光程的測量誤差絕對值小于2mm。

　　4 結(jié)論

　　本文在FPGA、直接數(shù)字頻率合成(DDS)、自動數(shù)字鑒相等技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了基于相位法的電路測量系統(tǒng)。實際測量結(jié)果表明，此測量系統(tǒng)在一定的量程范圍內(nèi)，對光纖光程的測量誤差絕對值小于2mm。在此測量水平下，此測量系統(tǒng)可用于基于光纖的激光測距校正與檢定中，對其中的光纖基線進(jìn)行測量和標(biāo)定，這為光電測距儀和全站儀的室內(nèi)檢定提供了一個可行的方案和參考。

　　本文所論述的相位法測量的電路實現(xiàn)是一個初步方案，在電路設(shè)計、系統(tǒng)優(yōu)化和誤差分析等方面還需要做進(jìn)一步的改進(jìn)，以提高系統(tǒng)性能。