基于微處理器的寬頻帶相位測量系統的設計與應用

相位測量在工業自動化儀表、智能控制及通信電子等許多領域都有著廣泛的應用，對相位測量的要求也逐步向高精度、智能化方向發展。對于低頻相位測量，一般采用數字脈沖填充法對輸入信號的相位進行測量都能實現。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進行測量時，由于相位差相對較小，一般的微處理器時鐘頻率，已經無法滿足高精度的計數要求，這樣必然會影響相位測量的精度。所以，必須提高標準時鐘的計數頻率，才能滿足測量要求。這樣，一方面增加了設計本身的難度，另一方面也提高了選用元器件的要求。本系統首先采用頻率變換法將高頻輸入信號轉換成低頻信號后，且保持原信號的相位不發生變化，再利用基于ADuC7128 為控制核心的數字測相系統進行測量，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

　　利用數學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 送入混頻器內進行混頻操作相乘后，會得到信號y3。

　　再將y3 送入低通濾波器進行濾波處理，濾除高頻信號，剩下的低頻信號數學表達式為：

　　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 數字測相系統設計

　　2. 1 硬件結構設計

　　如圖1 所示，本系統主要由信號調理電路、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