CN104917489A - 一种高精度的数字移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高精度的数字移相器，包括微控制器、D/A转换器、方波/三角波变换器、数模转换参考电压形成电路和比较器，所述微控制器的输出端分别与D/A转换器的输入端、数模转换参考电压形成电路的复位端口连接，D/A转换器的输出端与比较器的反相输入端连接，方波/三角波变换器的输出端同时与数模转换参考电压形成电路的输入端以及比较器的同相输入端连接，比较器的输出端与微控制器的外部中断管脚连接，数模转换参考电压形成电路的输出端连接至D/A转换器的参考电压端口。本发明移相精度高、失真度小，能实现连续移相，电路结构简单，硬件成本低。

Description

一种高精度的数字移相器
技术领域
本发明涉及一种高精度的数字移相器，尤其适用于锁定放大器参考通道的信号方波移相。
背景技术
移相器的主要功能是对传输信号的相位进行调整。在基于相关原理的微弱信号检测系统中，相敏检测器是核心部件；相敏检测器的输出不但取决于输入信号的幅度，还取决于输入信号与参考信号的相位差。为了准确无误的从背景噪声中检测出有用的微弱信号，这就要求参考通道的移相器具有移相连续可调、精度高的特点。
公知的纯模拟式移相器虽然可以实现连续移相，但线性差、精度较低；传统的数字移相器主要由PIN开关二极管或铁氧体器件实现，设计简单易于实现，但移相精度不高；典型的数字移相器大都由DDS技术设计而成，要么采用专用的DDS芯片，要么直接运用DSP或FPGA芯片构成数字移相器电路，能实现高精度的移相，并且移相角度连续可调，但是硬件成本过高，软件实现复杂，调试困难，难以实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有数字移相器存在的上述不足，提供一种失真度小、电路简单可靠的高精度的数字移相器，应用于锁定放大器的参考通道中、实现0～180°的连续移相。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种高精度的数字移相器，包括微控制器、D/A转换器、方波/三角波变换器、数模转换参考电压形成电路和比较器，所述微控制器的输出端分别与D/A转换器的输入端、数模转换参考电压形成电路的复位端口连接，D/A转换器的输出端与比较器的反相输入端连接，方波/三角波变换器的输出端同时与数模转换参考电压形成电路的输入端以及比较器的同相输入端连接，比较器的输出端与微控制器的外部中断(边沿触发中断)管脚连接，数模转换参考电压形成电路的输出端连接至D/A转换器的参考电压端口。
按上述方案，所述的微控制器采用支持边沿触发的处理器。
按上述方案，所述的D/A转换器采用带片外参考电压的DAC芯片。
按上述方案，所述方波/三角波变换器采用有源积分电路，该电路由电阻、电容和运算放大器组成，运算放大器的同相输入端经电阻R3接地，运算放大器的反相输入端分别与电阻R1、电阻R2、电容C的一端连接，电阻R2、电容C的另一端接至运算放大器的输出端。
按上述方案，待移相方波频率为所述有源积分电路的下限频率的10倍以上(方波/三角波转换过程中积分不能达到饱和，即三角波的峰值要小于方波的峰值，以此保证转换的精度和减小失真度)。
按上述方案，所述数模转换参考电压形成电路采用由集成采样保持器构成的电路或带有记忆电容的峰值保持电路。
按上述方案，所述由集成采样保持器构成的电路至少包括集成采样保持器、记忆电容Ch、门电路，集成采样保持器经记忆电路Ch接地，集成采样保持器的IN脚接方波/三角波变换器的输出端，集成采样保持器的OUT脚接D/A转换器的参考电压端口，集成采样保持器的LOGIC引脚为采样/保持控制引脚，微控制器的复位信号输出端经门电路与LOGIC引脚连接。
按上述方案，所述带有记忆电容的峰值保持电路包括第一比较器A1、二极管D1、二极管D2、记忆电容Ch、晶体管BG、第二比较器A2，第一比较器A1的同相输入端接至方波/三角波变换器的输出端，第一比较器A1的反相输入端分别接至二极管D1的阳极、D/A转换器的参考电压端口，二极管D1的阴极与第一比较器A1的输出端及二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极经记忆电容Ch、晶体管BG连接后接地，微控制器的复位信号输出端与晶体管BG的基极连接；记忆电容Ch的一端还连接至第二比较器A2的同相输入端，第二比较器A2的反相输入端与第二比较器的输出端连接且接至D/A转换器的参考电压端口。
本发明的工作原理：待移相方波接入方波/三角波变换器，给定待移相方波的移相角α至微控制器；待移相方波由方波/三角波变换器转换成与之同步的三角波，该三角波作为比较器的同相输入端的输入信号，比较器反相输入端的输入信号由微控制器控制D/A转换器输出的模拟电压提供，其中D/A转换器的参考电压由数模转换参考电压形成电路锁定的三角波峰值来给定；比较器输出的移相方波反馈给微控制器的外部中断管脚，由移相方波的上下边沿触发中断模块；微控制器在上下边沿中断控制中，根据给定的移相角α，改变D/A转换器输出的模拟电压，该模拟电压与比较器同相输入端的三角波比较，实现对待移相方波移相α角度。
本发明与现有技术相比具有以下主要优点：移相精度高、失真度小，能实现连续移相，电路结构简单，硬件成本低，控制操作灵活，易于实现。
附图说明
图1是本发明高精度的数字移相器的结构图；
图2是本发明结构图中对应各点的波形；
图3是方波/三角波变换器的电路图；
图4是基于集成采样保持器的数模转换参考电压形成电路的结构示意图；
图5是基于精密检波的数模转换参考电压形成电路的结构示意图；
图6是微控制器中断的控制流程图；
图7是比较器的电路图。
具体实施方式
下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本发明所述的高精度的数字移相器，包括微控制器、D/A转换器、方波/三角波变换器、数模转换参考电压形成电路和比较器，所述微控制器的输出端分别与D/A转换器的输入端、数模转换参考电压形成电路的复位端口(Urst)连接，D/A转换器的输出端与比较器的反相输入端连接，方波/三角波变换器的输出端同时与数模转换参考电压形成电路的输入端以及比较器的同相输入端连接，比较器的输出端与微控制器的外部中断(边沿触发中断)管脚连接，数模转换参考电压形成电路的输出端连接至D/A转换器的参考电压端口(Vref)。
a点待移相方波经方波/三角波变换器转换成与之同步的b点三角波。根据不同的移相角α，微控制器给出对应的数字量data(n为D/A转换器的位数)去驱动D/A转换器，由D/A转换器输出模拟电压(d点)与b点三角波比较，得到所需移相方波的上升沿，该边沿反馈给微控制器的中断管脚并触发中断。在中断服务程序中，将D/A转换的数字量data更新(data＝2n-data)，D/A转换器输出的模拟电压(d’点)与b点三角波比较，得到方波的第二个边沿下降沿，该下降沿同样反馈给微控制器的中断管脚并触发中断，在中断服务程序中，将D/A转换器的数字量用表达式再次更新。D/A转换器根据该值转换出的对应的模拟电压(d点)，再与b点三角波比较，得到下一个周期方波的第一个边沿(上升沿)。该过程周而复始，直至得到所需的e点移相方波信号。该e点移相方波形成过程中，模拟电压d、d’的电压值分别为：(其中Vref为D/A转换器的参考电压，由数模转换参考电压形成电路锁定三角波的峰值电压提供)。
结构原理图对应各点的波形如图2所示。波形图I为a点待移相方波，波形图II为经方波/三角波转换电路的b点三角波，波形图III为经数模转换电压形成电路的c点参考电压Vref的波形，波形图IV为比较器输出的移相α角度的e点移相方波。Va为待测方波的幅值电压，Vb为三角波的幅值电压，Va>Vb保证转换过程中积分不达到饱和。Ve为移相方波的幅值。Vd为d点模拟电压，对应D/A转换器的数据是data；Vd’为d’点模拟电压，对应D/A转换器的数据是2n-data。
本发明数字移相器的移相精度取决于D/A转换器(DAC)的分辨率n，即移相的角度分辨率为180°/(2^n)，如分辨率12位的D/A转换器，则步进的最小角度为0.044°。
如图3所示，所述方波/三角波变换器采用有源积分器电路，该电路由电阻、电容和运算放大器组成，运算放大器的同相输入端经电阻R3接地，运算放大器的反相输入端分别与电阻R1、电阻R2、电容C的一端连接，电阻R2、电容C的另一端接至运算放大器的输出端，图中R2用来抑制运算放大器的低频增益和漂移影响。所述有源积分电路的下限频率为了得到较好的线性度，待移相方波频率为下限频率fmin的10倍以上。
所述数模转换参考电压形成电路选用由集成采样保持器构成的电路或采用带有记忆电容构成的电路，分别如图4和图5所示。集成采样保持器可以选用LF198、LF298、LF398等，以图4所示的集成采样保持器LF398为例，LF398的LOGIC引脚为采样/保持控制引脚，该引脚为高电平时，芯片的输出电压跟踪输入；该引脚为低电平时芯片进入保持状态。当b点的三角波处于上升期，此时b点的电压大于c点电压，LOGIC上得到高电平，c点的电压等于b点的电压；当b点的三角波达到最大值即将趋于下降，此时的b点电压小于c点电压，LOGIC为低电平，LF398将此刻的三角波峰值锁住。当复位信号端口(Urst)置1时，解除封锁在LF398输出端的本次采样峰值。图5中，当b点的电压小于c点的电压时，二极管D2导通，二极管D1截止，第一比较器A1通过二极管D2对记忆电容Ch充电，使c点的电压跟踪b点的电压变化。当b点的电压大于c点的电压时，二极管D1导通，二极管D2截止，c点的电压等于b点的电压，保持住b点三角波的峰值。当复位端口出现复位信号Urst时，晶体管BG导通，记忆电容Ch放电，c点的电压清零；复位信号Urst消失后，又开始新的峰值保持过程，峰值解除在微控制器的上边沿的中断服务子程序中实现。
中断服务子程序的控制流程图如图6所示，由支持边沿触发的微控制器控制执行。当需要移相a角时，控制器给出对应于该角度的数模转换电路的输入数字量数模转换得到的data对应的模拟电压值和与初始方波同步的三角波比较，得到移相方波的第一个边沿(上升沿)，再用这个边沿做中断触发，更新data＝2n-data，得到移相方波的第二个边沿(下降沿)。周而复始，移相方波每来一个上升沿，D/A的输入值给定为data并解锁一次采样保持电路,每来一次下降沿，D/A的输入值给定为2n-data，其中data和2n-data为移相方波半个周期的比较点。
如图7所示，所述比较器用于完成b点三角波电压与d或d’点D/A输出的模拟电压进行电压比较，当Vb>Vd或Vd’时比较器输出高电平，当Vb<Vd或Vd’时比较器输出低电平，高低电平构成的方波便是相对于待移相方波移相α角度的移相方波信号。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种高精度的数字移相器，其特征在于：包括微控制器、D/A转换器、方波/三角波变换器、数模转换参考电压形成电路和比较器，所述微控制器的输出端分别与D/A转换器的输入端、数模转换参考电压形成电路的复位端口连接，D/A转换器的输出端与比较器的反相输入端连接，方波/三角波变换器的输出端同时与数模转换参考电压形成电路的输入端以及比较器的同相输入端连接，比较器的输出端与微控制器的外部中断管脚连接，数模转换参考电压形成电路的输出端连接至D/A转换器的参考电压端口。
2.如权利要求1所述的高精度的数字移相器，其特征在于：所述的微控制器采用支持边沿触发的处理器。
3.如权利要求1所述的高精度的数字移相器，其特征在于：所述的D/A转换器采用带片外参考电压的DAC芯片。
4.如权利要求1所述的高精度的数字移相器，其特征在于：所述方波/三角波变换器采用有源积分电路，该电路由电阻、电容和运算放大器组成，运算放大器的同相输入端经电阻R3接地，运算放大器的反相输入端分别与电阻R1、电阻R2、电容C的一端连接，电阻R2、电容C的另一端接至运算放大器的输出端。
5.如权利要求4所述的高精度的数字移相器，其特征在于：待移相方波频率为所述有源积分电路的下限频率的10倍以上。
6.如权利要求1所述的高精度的数字移相器，其特征在于：所述数模转换参考电压形成电路采用由集成采样保持器构成的电路或带有记忆电容的峰值保持电路。
7.如权利要求6所述的高精度的数字移相器，其特征在于：所述由集成采样保持器构成的电路至少包括集成采样保持器、记忆电容Ch、门电路，集成采样保持器经记忆电路Ch接地，集成采样保持器的IN脚接方波/三角波变换器的输出端，集成采样保持器的OUT脚接D/A转换器的参考电压端口，集成采样保持器的LOGIC引脚为采样/保持控制引脚，微控制器的复位信号输出端经门电路与LOGIC引脚连接。
8.如权利要求6所述的高精度的数字移相器，其特征在于：所述带有记忆电容的峰值保持电路包括第一比较器A1、二极管D1、二极管D2、记忆电容Ch、晶体管BG、第二比较器A2，第一比较器A1的同相输入端接至方波/三角波变换器的输出端，第一比较器A1的反相输入端分别接至二极管D1的阳极、D/A转换器的参考电压端口，二极管D1的阴极与第一比较器A1的输出端及二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极经记忆电容Ch、晶体管BG连接后接地，微控制器的复位信号输出端与晶体管BG的基极连接；记忆电容Ch的一端还连接至第二比较器A2的同相输入端，第二比较器A2的反相输入端与第二比较器的输出端连接且接至D/A转换器的参考电压端口。
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