等精度的信號相位檢測

摘 要:通過對數字式頻率特性測試儀原理的分析和研究，提出以DDS AD9958芯片作信號源與相位檢測計數脈沖，實現等精度相位測量功能的方案。系統硬件由DDS AD9958芯片及其外圍電路和相位檢測電路組成，通過對AD9958芯片的通道寄存器和控制字寄存器的軟件進行設置，使芯片輸出兩路頻率成360倍關系的掃頻信號，實現等精度測量。利用軟件控制芯片實現等精度測量，降低了頻率變化產生的精度誤差，實現方法簡單方便。

關鍵詞:AD9958; 等精度; 相位測試; 數字式頻率特性測試儀

中圖分類號:TP368.1 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)10-0152-03

Signal Phase Detection of Equal Accuracy

CHEN Cheng-ze， CHEN Xiao-ming， LV Bin， TAO Ji-li， CAO Ying

(Ningbo Institute of Technology， Zhejiang University， Ningbo 315100， China)

Abstract:Based on analysing and studying the principles of digital frequency characteristics tester， the scheme of realizing thephase detection function with equal accuracy is put forward by taking DDS AD9958 chip as the signal source and phase detection counting pulse. The hardware is composed of DDS AD9958 chip， peripheral circuits and phase detection circuit. The equal accuracy of phase measurement is achieved by setting the channel register and control word register of AD9958 chip with the software to allow the chip to outputtwo sweep signals whose frequency relationship is that one is 360 times to another. The phase detection with equal accuracy is realized based on chips controlled by thesoftware. The precision errors caused by the frequency change are reduced. The method is simple and convenient.

Keywords:AD9958; equal accuracy; phase measurement; digital frequency characteristics tester

模擬式掃頻儀價格昂貴，不能直接得到相頻特性，更不用說等精度測量，給使用者帶來諸多不便。為此，研究和設計了一種數字式的頻率特性測試儀，通過DDS技術實現相位檢測的等精度測量。該測試儀用DDS產生掃頻信號，以單片機為控制核心，通過A/D等接口電路，實現掃頻信號頻率的步進調整、數字顯示及被測網絡幅頻特性與相頻特性的數字顯示等。系統成本低，掃頻范圍較寬(20 Hz~20 kHz)[1-2]。

數字式頻率測試儀的相位檢測方法一般有2種:鑒相法、過零檢測法。鑒相法是通過鑒相器加異或門，將鑒相器輸出信號與外加計數脈沖進行相與，通過計數器對計數脈沖數進行計數，從而得到相位差值。這種方法的不足之處在于外加計數脈沖的固定不變，使得低頻率信號的檢測精度遠遠高于高頻率的檢測精度[3]，導致整體相位差值測量的不穩定性。利用DDS控制輸出計數脈沖，解決了計數脈沖不變的缺點，同時實現了不同精度下等精度的測量。過零檢測法是將相位差值轉換為時間間隔，這種方法所測得的相位差值只需考慮信號之間的延時時間，頻率的變化對相位差值的精度并不能造成影響，所以等精度測量也無從談起[4]。

所謂等精度測量是指在一切實驗和測量條件完全相同(相對而言)的情況下，進行被測量的測量。在這樣的條件下，沒有任何理由認為某個測得值比另一個測得值更為精密可靠，因而應把各測得值視為同等精密，而相對誤差只取決于測量時間和標準高頻信號周期之比值，與待測信號自身頻率無關，這就稱為等精度測量[5]。

本文主要實現相位的等精度檢測，并對其進行調試，完成以下工作:

(1) 在充分考慮到設計要求的基礎上，搭建硬件電路;

(2) 通過對等精度的了解和認識，編寫AD9958芯片的驅動軟件，使得輸出兩路頻率成360倍關系的信號。

程序編譯成功之后，結合硬件電路在偉福V5/S單片機仿真器的Windows調試環境中進行測試。

1 等精度相位測量的設計

硬件電路通過AD9958兩路信號輸出，通過不同的信號處理，一個作為信號源進行，另一個作為相位檢測電路中可變化的計數脈沖。

通過軟件控制AD9958芯片的輸出信號頻率關系，實現硬件上等精度的相位檢測[6]。

2 檢測原理分析

(1)DDS模塊分析。

AD9958輸出為兩路信號，其中一路作為信號源的音頻信號輸入被測網絡，另一路作為輸出音頻信號頻率成360倍關系的信號。作為圖1中的計數脈沖輸入，在輸入至圖1中的計數脈沖之間，要完成一個由正弦波到方波的波形轉換過程，以實現計數器的計數功能[7]。

圖1 相位檢測框圖

(2)相位檢測電路分析。

掃頻信號經過被測網絡后，頻率特性將發生變化，將輸入被測網絡的信號和輸出被測網絡的信號同時加到一個電壓比較器上，將兩路正弦信號轉換為方波脈沖信號，輸出分別接在異或門和一個D觸發器上。由于輸入被測網絡信號和輸出被測網絡信號在相位上的差異，使得D觸發器輸出不同的電平，據此可以判定輸出被測網絡的信號相對于輸入被測網絡信號時超前還是滯后;另一方面，異或門將輸出一個脈沖方波，此脈沖方波的脈寬即為兩信號的相位之差，即相頻特性。最后，脈沖方波同計數脈沖經過與門相與后得到一串脈沖信號，由計數器測得此脈沖信號的個數，從而得出脈沖方波的脈寬。此時，由計數器所得的計數值與相位之間的關系進行計算就成了一個復雜問題。

因此，本文所采用的等精度測量方法在這個問題上就起到了一個非常重要的作用。

通過對DDS輸出信號頻率的設置，將信號源的頻率乘以360后，再輸出一路信號作為計數脈沖，這樣既做保證了精度上的同步，同時也使計算更加方便，因為計數值就為相位差值。相位差值的計算公式為:差值=精度×計數脈沖數[8-9]，如圖2所示。

圖2 鑒相輸出波形和計數脈沖

(3)軟件流程。

AD9958的軟件設計流程:AD9958內部有一個通道選擇寄存器和一個32位的頻率控制字寄存器，為了輸出一個20~20 kHz的音頻信號和一個與之頻率成360倍關系的計數脈沖信號，通過選擇不同通道給不同的兩個成360倍關系的控制字，就可以完成總體軟件設計。具體的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 AD9958雙通道輸出信號軟件流程圖

3 仿真結果

通過軟件仿真的方式，得到了信號在10 kHz下的相位測量結果，具體的仿真過程如圖4~圖10所示。

(1) 圖4中從上至下分別為10 kHz的音頻信號，3.6 MHz的正弦波信號，經過比較器后的音頻信號，經過比較器后的3.6 MHz方波信號，圖4示波器的掃描時間為100 μs。

圖4 DDS兩路輸出波形以及經過

比較器后的波形(100 μs/grid下觀察)

(2)圖5的信號與圖4相同，區別在于示波器掃描時間為0.5 μs。

(3) 圖6為音頻信號輸入被測網絡前后通過比較器后的波形圖，示波器掃描周期為20 μs。從圖中看出，此頻率下信號相位發生了變化。

(4) 圖7是鑒相輸出信號波形和計數脈沖波形圖，觀察周期為100 μs。

(5) 圖8是在100 μs觀察周期下看到的經過與門后的計數脈沖，即所得的相位差值。

圖5 DDS兩路輸出波形以及經過比較器后的波形(0.5 μs/grid下觀察)

圖6 音頻入被測網絡前后波形經比較器后的波形(20 μs/grid下觀察)

圖7 鑒相器輸出和計數脈沖波形(100 μs/grid下觀察)

(6) 圖9是在20 μs觀察周期下看到的經過與門后的計數脈沖，即所得的相位差值。

從圖4~圖10仿真結果圖可以看出，由軟件控制DDS輸出的兩路信號波形同步性高，倍數關系準確，能夠方便地做到等精度要求。從圖9中看到，所觀察到的計數脈沖數即為所要求的相位差值[10]。

4 結 語

本文通過硬件和軟件兩方面分析了相位檢測電路、DDS AD9958模塊電路的電路特性和DDS模塊的軟件設計，說明了相位等精度測量的優點。仿真結果表明了等精度相位測量的可實現性。

圖8 與門輸出波形(100 μs/grid下觀察)

圖9 與門輸出波形(20 μs/grid下觀察)

參考文獻

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