相位式光纖測(cè)量電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．2．2 頻率信號(hào)產(chǎn)生電路的實(shí)現(xiàn)
頻率信號(hào)產(chǎn)生電路在FPGA中頻率控制模塊的控制下，產(chǎn)生高精度正弦主振信號(hào)和本振信號(hào)，分別用于光調(diào)制和混頻。此電路產(chǎn)生的信號(hào)要求頻率可調(diào)，且具有高的頻率穩(wěn)定性和低的相位噪聲，相位抖動(dòng)小，以保證最終的測(cè)量精度。
在本系統(tǒng)中，我們基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)產(chǎn)生。DDS的實(shí)現(xiàn)，使用芯片AD9951。AD9951是一個(gè)可控的頻率合成芯片，具有32位頻率轉(zhuǎn)換字，最大合成頻率為160MHz。系統(tǒng)中采用兩塊AD9951，分別產(chǎn)生主振信號(hào)和本振信號(hào)。FPGA通過(guò)該芯片的控制端口，對(duì)
其產(chǎn)生的信號(hào)頻率進(jìn)行控制。其控制時(shí)序如圖4所示。

AD9951產(chǎn)生的頻率信號(hào)具有一定的雜散，系統(tǒng)中使用七階橢圓低通濾波器進(jìn)行濾波，然后使用運(yùn)算放大器AD8007進(jìn)行信號(hào)放大。電路框圖如圖5所示。該電路產(chǎn)生的50MHz的正弦信號(hào)如圖6所示。

2．2．3 混頻鑒相電路
由于測(cè)量信號(hào)頻率較高，直接對(duì)其進(jìn)行鑒相難以達(dá)到良好的鑒相精度，因而在系統(tǒng)中采用混頻的方法進(jìn)行差頻鑒相。在差頻鑒相中，參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)同時(shí)與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，濾除混頻后高頻分量，得到混頻后低頻參考信號(hào)和混頻后低頻測(cè)量信號(hào)?；祛l降低了信號(hào)頻率，但保持相位差不變，便于鑒相操作。相位差的檢測(cè)使用自動(dòng)數(shù)字鑒相法。其原理如圖7所示。參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較，得到參考方波信號(hào)和測(cè)量方波信號(hào)。比較兩方波信號(hào)，得到兩者之間的相位差信號(hào)，然后使用高頻計(jì)數(shù)脈沖對(duì)相位差信號(hào)，然后使用高頻計(jì)數(shù)脈沖對(duì)相位差信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的周期為f，高頻計(jì)數(shù)脈沖的頻率為fc，一個(gè)周期內(nèi)的計(jì)數(shù)值為M，則相位差為：△φ=2πMf ／fc。為了減小偶然誤差，提高鑒相精度，可以對(duì)多個(gè)周期計(jì)數(shù)求平均。設(shè)N個(gè)周期的計(jì)數(shù)值為M'，則△φ=2πM'f／Nfc。