CN102928667A - 宽频高精度相位测量的实现架构 - Google Patents

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Abstract

在RLC阻抗分析仪、微厚度测量、微振动的精密测量以及多路信号通道的时延一致性测量等许多应用领域，均存在相位测量的问题。本发明宽频高精度相位测量的实现架构是利用DDS技术和微机技术的结合，运用相乘法和可变延迟线法等方法，用来实现宽频高精度正弦信号的相位差测量。其中，相乘法有抑制谐波影响相位测量准确度的特点；可变延迟线法适用于高频信号的相位测量，具有测量灵敏度高的优点。本发明结合相乘法和可变延迟线法两者的优点，来实现宽频高精度的相位测量。同时，采用DDS技术和微机技术相结合来实现相位测量基础的正弦信号源，在测量过程中，不再需要测量信号源的频率。该信号源具有频率易改于变而且非常稳定的特点。

Description

宽频高精度相位测量的实现架构
技术领域
在RLC阻抗分析仪、微厚度测量、微振动的精密测量以及多路信号通道的时延一致性测量等许多应用领域，均存在相位测量的问题。本发明宽频高精度相位测量的实现架构是利用DDS技术和微机技术的结合，运用相乘法和可变延迟线法等方法，来实现宽频高精度正弦信号的相位差测量。 
技术背景
目前，相位测量的常用方法有矢量法、相乘法、可变延迟线法和过零鉴相法等许多方法。其中，相乘法有抑制谐波对相位测量准确度影响的特点；可变延迟线法适用于高频信号的相位测量，具有测量灵敏度高的优点。本发明结合相乘法和可变延迟线法两者的优点，来实现宽频高精度的相位测量。同时，采用DDS技术和微机技术相结合来产生相位测量基础的正弦信号源，在测量过程中，不再需要测量信号源的频率，该信号源具有频率易于改变而且非常稳定的特点。 
发明内容
本发明宽频高精度相位测量的实现架构由两片DDS(Direct Digital Synthesizer，即直接数字式频率合成器)集成芯片，两片乘法器集成芯片，两片低通滤波器集成芯片，两片直流放大器集成芯片、两片A/D转换器集成芯片以及单片机系统等组成。 
如图1所示，DDS(8)(该芯片有两个正弦信号输出，并且相互正交)输出产生余弦信号，也产生正弦信号，分别输入到乘法器(3)和乘法器(9)的一个输入端；DDS(1)输出产生余弦信号，驱动待测相位的双端网络(2)，形成被测网络的相位延迟的输出信号，该输出信号同时加到乘法器(3)和乘法器(9) 的另一个输入端，两个乘法器分别输出两路相乘输出信号。第一路相乘输出信号经低通滤波器(4)滤波，其输出的直流信号由限幅放大器(5)放大后，由A/D转换器(6)转换为正或负的数字信号量，被单片机系统(7)读入；第二路相乘输出信号经低通滤波器(10)滤波，其输出的直流信号由限幅放大器(11)放大后，经A/D转换器(12)转换为正或负的数字信号量，也被单片机系统(7)读入。 
测量初始时，单片机系统(7)根据测试条件，分别对DDS(1)和DDS(2)设置相同的测试频率值和相同的相位值，并且对两个DDS同一时刻发出频率和相位的更新信号，使两个DDS同时工作，则输出同频同相的余弦信号。 
单片机系统根据第一路的A/D转换器(6)转换的数字信号量，对第二个DDS(8)的相位值进行调整，使得第一路A/D转换器(6)转换的数字信号量，逐渐趋向于零。那么，此刻两个DDS相位的差值就等于0或π。单片机系统再根据第二路的A/D转换器(12)转换的数字信号量是正值还是负值，来判定两个DDS相位的差值究竟是多少。如果为正值，那么两个DDS相位的差值等于0；如果为负值，那么两个DDS相位的差值等于π。 
然后根据设置的频率值，可以计算出被测网络的延迟时间值。 
两个乘法器的输出信号的数学表达式如下： 
第一路： 
sin[ωt+θ(n)]*cos[ωt-ωτ]＝sin[2*ωt+θ(n)-ωτ]/2+sin[θ(n)+ωτ]/2  (1) 
第二路： 
cos[ωt+θ(n)]*cos[ωt-ωτ]＝cos[2*ωt+θ(n)-ωτ]/2+cos[θ(n)+ωτ]/2  (2) 
两个滤波器的输出信号的数学表达式如下： 
第一路：sin[θ(n)+ωτ]/2                              (3) 
第二路：cos[θ(n)+ωτ]/2                    (4) 
当第一路的A/D转换器转换的数字信号量为0时，θ(n)+ωτ＝0或π。那么，如果第二路的A/D转换器转换的数字信号量为正值时，θ(n)+ωτ＝0，就可以计算得到被测网络的时间延迟值τ＝-θ(n)/ω；如果第二路的A/D转换器转换的数字信号量为正值时，θ(n)+ωτ＝π，就可以计算得到被测网络的时间延迟值τ＝(π-θ(n))/ω。 
DDS技术采用数字化结构，利用相位数字存储技术，具有精确的频率和相位分辨率。因此，在技术上，利用DDS技术和微机技术相结合；在测量方法上，利用有抑制谐波对相位测量准确度影响的特点的乘法器法和适用于高频信号的相位测量并且测量灵敏度高的可变延迟线法相结合。本发明可以实现宽频高精度的相位测量。 
在测量过程中，不再需要测量信号源的频率。该信号源具有频率易于改变而且非常稳定的特点。 
附图说明
图1是宽频高精度相位测量的实现架构的方框图。图1中(1)和(8)均为DDS集成芯片，型号为AD9854；图1中(2)为需要测量相位延迟的被测网络；图1中(3)和(9)均为乘法器集成芯片，型号为AD835；图1中(4)和(10)均为低通滤波器集成芯片，型号为MAX297；图1中(5)和(11)均为主要由运算放大器(型号为MAX4352)构成的限幅直流放大电路；图1中(6)和(12)均为10bit的A/D模数转换器集成芯片，型号为MAX1448；图1中(7)为操作、控制和显示的单片机系统电路。 
具体实施方式
本发明宽频高精度相位测量的实现架构里两片DDS采用型号为AD9854集成芯片，其时钟可达300MHz，有48Bit可编程的频率寄存器、14Bit可编程的相位寄存器和两个高速12Bit的D/A转换器。 
如图1所示，其中一片DDS(1)Iout1产生余弦信号，作为驱动待测相位的双端网络(2)的信号源，经过被测网络的延迟，输出被检信号；另一片DDS(8)Iout1产生余弦信号，Iout2产生正弦信号，形成参考信号。被测网络的相位延迟的待测信号与第二个DDS(8)的Iout2端产生正弦信号在第一个乘法器(3)中进行 模拟乘法运算，输出第一路相乘输出信号，乘法器选用型号为AD835。相乘输出信号再经过第一个低通滤波器(4)滤波，低通滤波器滤波采用型号为MAX297。其输出的直流信号由第一个限幅放大器(5)放大，限幅放大器中直流放大器选用型号为MAX4352。第一个10Bit的A/D转换器(6)将其放大后输出的直流信号转换为正或负的数字信号量，A/D转换器选用型号为MAX1448。该数字信号量被单片机系统(7)读入；与此同时，被测网络的相位延迟的待测信号与第二个DDS(8)的Iout1端产生余弦信号在第二个乘法器(9)中进行模拟乘法运算，输出第二路相乘输出信号，再经过第二个低通滤波器(10)滤波，其输出的直流信号由第二个限幅放大器(11)放大。第二个10Bit的A/D转换器(12)将其放大后输出的直流信号转换为正或负的数字信号量，该数字信号量也被单片机系统(7)读入。第二路中乘法器、低通滤波器、直流放大器和A/D转换器选用型号与第一路中乘法器、低通滤波器、直流放大器和A/D转换器的型号相同，保证了两路信号通道的时延基本一致。 
测量初始时，单片机系统(7)根据测试要求，分别对DDS(1)和DDS(8)设置相同的测试频率值和相同的相位值，并且在同一时刻对两个DDS发出频率和相位的更新信号，使两个DDS同时工作，输出同频同相的余弦信号。 
单片机系统(7)根据第一路的A/D转换器()转换的数字信号量，对第二个DDS(8)的相位值进行调整，使得第一路A/D转换器(5)转换的数字信号量，逐渐趋向于零。此刻，两个DDS相位的差值就等于0或π。单片机系统再根据第二路的A/D转换器(12)转换的数字信号量是正值还是负值，来判定两个DDS相位的差值是多少。如果该量为正值，那么两个DDS相位的差值等于0；如果该量为负值，那么两个DDS相位的差值等于π。 
根据频率值，可以计算出被测网络的延迟时间值。 

Claims (3)

1.本发明为宽频高精度相位测量的实现架构，其特征是由两个DDS(DirectDigital Synthesizer)集成芯片、两片乘法器集成芯片、两片低通滤波器集成芯片、两片直流放大器集成芯片、两片A/D转换器集成芯片及单片机系统所组成。第一个DDS的Iout1端产生余弦信号，驱动待测相位的双端网络，得到被测网络的相位延迟的输出信号；第二个DDS的Iout1端产生余弦信号，Iout2端产生正弦信号，作为参考信号。被测网络的相位延迟的输出信号与第二个DDS的Iout2端产生正信号在第一个乘法器中进行模拟乘法运算，输出第一路相乘输出信号，再经过第一个低通滤波器滤波，其输出的直流信号由第一个限幅放大器放大后，第一个A/D转换器将其输出的直流信号转换为正或负的数字信号量，被单片机读入；与此同时，被测网络的相位延迟的输出信号与第二个DDS的Iout1产生余弦信号在第二个乘法器中进行模拟乘法运算，输出第二路相乘输出信号，再经过第二个低通滤波器滤波，其输出的直流信号由第二个限幅放大器放大后，第二个A/D转换器将其输出的直流信号也转换为正或负的数字信号量，被单片机读入。
2.如权利要求1所述宽频高精度相位测量的实现架构，其特征是单片机系统根据第一路的数字信号量，调节第二个DDS的相位值，让第一路的数字信号量趋向于零值。
3.如权利要求1所述宽频高精度相位测量的实现架构，其特征是单片机系统根据第二路的数字信号量的正值或负值，来判断第一路数字量为零值时，被测网络的相位延迟的输出信号与参考信号之间相位差值是0还是π。然后，根据信号的频率来计算被测网络的延迟时间。
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