基于微處理器的寬頻帶相位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

相位測(cè)量在工業(yè)自動(dòng)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(duì)相位測(cè)量的要求也逐步向高精度、智能化方向發(fā)展。對(duì)于低頻相位測(cè)量，一般采用數(shù)字脈沖填充法對(duì)輸入信號(hào)的相位進(jìn)行測(cè)量都能實(shí)現(xiàn)。但是，要想滿(mǎn)足一定的測(cè)量精度就要求微處理器的時(shí)鐘頻率足夠高。

　　同樣，運(yùn)用此方法對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于相位差相對(duì)較小，一般的微處理器時(shí)鐘頻率，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足高精度的計(jì)數(shù)要求，這樣必然會(huì)影響相位測(cè)量的精度。所以，必須提高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)頻率，才能滿(mǎn)足測(cè)量要求。這樣，一方面增加了設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換成低頻信號(hào)后，且保持原信號(hào)的相位不發(fā)生變化，再利用基于ADuC7128 為控制核心的數(shù)字測(cè)相系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，從而完成了寬頻帶輸入信號(hào)的相位測(cè)量。

　　1 差頻變換原理的引入

　　利用數(shù)學(xué)模型將被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)描寫(xiě)成如下形式：

　　被測(cè)信號(hào)：

　　參考信號(hào)：

　　其中： A 為被測(cè)信號(hào)的幅值； B 為參考信號(hào)的幅值； f為被測(cè)信號(hào)的頻率； f0 為參考信號(hào)的頻率； θ 是被測(cè)信號(hào)的幅角。

　　同時(shí)，將兩個(gè)信號(hào)y1 和y2 送入混頻器內(nèi)進(jìn)行混頻操作相乘后，會(huì)得到信號(hào)y3。

　　再將y3 送入低通濾波器進(jìn)行濾波處理，濾除高頻信號(hào)，剩下的低頻信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　y3 與y1 相比，幅度呈線(xiàn)性變化，幅角不變，但頻率降低，其頻率是被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的頻率差。對(duì)于測(cè)量y3 來(lái)說(shuō)，比直接測(cè)量y1 容易得多。這樣把差頻變換法應(yīng)用到高頻信號(hào)的相位測(cè)量上，既可以提高相位測(cè)量的精度，又可以拓寬輸入信號(hào)的頻帶。

　　2 數(shù)字測(cè)相系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2. 1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　如圖1 所示，本系統(tǒng)主要由信號(hào)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