微處理器的寬頻帶相位測量系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】微處理器的寬頻帶相位測量系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用相位測量在工業(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開展測量都能實現(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開展測量時，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(biāo)準(zhǔn)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為控制的數(shù)字測相系統(tǒng)開展測量，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)開展混頻操作相乘后，會得到信號y3。

再將y3送入低通濾波器開展濾波處理，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硬件構(gòu)造設(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開展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構(gòu)造，且同時對輸入信號開展信號調(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)生的參考信號開展混頻后，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(yuǎn)，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

在開展頻率轉(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到達25MHz的DDS模塊，信號的輸出電壓在1V左右。其技術(shù)指標(biāo)滿足了作為參考信號的要求。同時，ADuC7128可通過內(nèi)部PLL開展時鐘倍頻，工作頻率可達41.78MHz，工作電壓在圖3ADuC7128控制電路3.0～3.6V范圍內(nèi)。ADuC7128微處理器自身構(gòu)造緊湊、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3ADuC7128控制電路

在本系統(tǒng)中，首先打開CH1通道上的模擬開關(guān)，使被測信號繞過頻率轉(zhuǎn)換電路，而直接進入比較器LT1715開展整形，然后ADuC7128利用內(nèi)部計數(shù)器T0產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)脈沖對整形之后的脈寬信號開展高速填充。如果計數(shù)值為N，標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)脈沖的周期為ΔT，則輸入信號的頻率為f，周期為T:

DACOUT是一個用來設(shè)置ADuC7128內(nèi)部DDS輸出頻率的一個控制信號，在本設(shè)計中，當(dāng)輸入信號的頻率超過30kHz時，ADuC7128內(nèi)部DDS保持產(chǎn)生一個與輸入信號頻率相差30kHz的正弦波信號，作為頻率轉(zhuǎn)換的參考信號。

經(jīng)過混頻、低通濾波、整形比較之后的兩路正弦波信號，已經(jīng)變成頻率在30kHz以下的方波信號Q1和Q2。IRQ0、IRQ1是ADuC7128的兩個中斷引腳，分別將Q1的輸出端與ADuC7128的IRQ0引腳連接，Q2的輸出端與ADuC7128的IRQ1引腳連接。

IRQ0用于檢測Q1信號的下降沿，一旦Q1信號的下降沿到來時，ADuC7128內(nèi)部計數(shù)器T1開始工作，IRQ1用于檢測Q2信號的下降沿，一旦Q2信號的下降沿到來時，ADuC7128內(nèi)部計數(shù)器T1停止工作。這樣，計數(shù)器T1上的累計值就是兩個方波間隔的脈沖數(shù)n，如果已知T1的計數(shù)間隔Δt'，即可知兩個方波的時間間隔Δt:

從而通過公式（8）即可計算出兩輸入信號的相位差θ。

2.2軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是完成系統(tǒng)初始化、內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)結(jié)果顯示等功能。圖4是系統(tǒng)的主程序和相位測量流程圖。

圖4主程序和相位測量流程圖

3測試結(jié)果與分析

兩路同頻輸入信號是由一個相位差可調(diào)節(jié)的高精度信號源產(chǎn)生。當(dāng)輸入信號頻率小于30kHz時，由ADuC7128內(nèi)部計數(shù)器直接計數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得出相位差。輸入信號在開展過零比較時，由于兩路輸入信號之間的電平不相等所引起的幅相誤差，使得整形后產(chǎn)生的方波有所失真。圖5是兩路輸入信號為100kHz，相位差75°的正弦波信號，經(jīng)過頻率變換及濾波整形后，兩個信號的相位保持不變，頻率變?yōu)?0kHz、幅度線性變化，如圖6所示。

圖5兩路相位差75°的正弦波信號

圖6兩路相位差75°的方波信號

隨機抽取四個不同頻率的輸入信號，分別在相位差為0～150°的范圍內(nèi)開展測試，測試結(jié)果見表1。

表1測試結(jié)果

測量結(jié)果說明該系統(tǒng)的測量不確定度為±0.4°，基本滿足了預(yù)期≤0.5°的設(shè)計要求。主要誤差源是ADuC7128內(nèi)部計數(shù)器只能開展整數(shù)計數(shù)，而引起的±1的計數(shù)誤差，該誤差可以采用多次測量求平均值的軟件方法開展修正。同時，兩路信號通道內(nèi)部硬件電路構(gòu)造存在差異，也是造成測量誤差的原因，解決此類誤差只能在設(shè)計對稱構(gòu)造的硬件電路時，盡量選用相同的元器件。

4結(jié)論

為了解決寬頻信號相位測量精度與微處理器主頻之間的矛盾，本文通過引入差頻變換原理，設(shè)計出一種基于ADuC7128微處理器的寬頻帶相位測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成輸入信號在0～10MHz范圍內(nèi)