基于微处理器的宽频带相位测量系统的设计与应用

　　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。