一種新型相位差測量系統

摘    要: 傳統的相位差測量系統，因其工作的頻段窄，測量精度低，已不能滿(mǎn)足現代相控陣技術(shù)的要求。本文提出了一種新型相位差測量系統的設計方法，并給出了測試結果。
關(guān)鍵詞: 相位差；測量 

引言
在實(shí)際工作中，經(jīng)常會(huì )遇到需要檢測兩個(gè)信號的相位差，這也是研究網(wǎng)絡(luò )相頻特性中不可缺少的重要方面。近年來(lái)，隨著(zhù)以計算機參與的數字合成和使用數據樣本求解測量特性為特征的第三代自動(dòng)測試系統和虛擬儀器的出現，提出了使用同步實(shí)時(shí)取樣技術(shù)獲得取樣序列，從而計算兩信號之間的相位差的方法。雖然這些方法都不再依賴(lài)于標準時(shí)標信號，而直接通過(guò)采樣點(diǎn)經(jīng)過(guò)數值處理即可得到被測信號相位，但其被測信號的頻率都很低，最高也只有幾十KHz，而且計算復雜、運算量大，已經(jīng)遠遠不能滿(mǎn)足現代相控陣技術(shù)的要求。
本文提出了一種基于A(yíng)D8302的新型相位差測量系統，被測信號的頻率可以高達2.7GHz，相位測量精度小于0.5度。另外，它可以獨立測量?jì)蓚€(gè)射頻(RF)或中頻(IF)信號之間的相位差，這對于全球移動(dòng)通信系統(GSM)、碼分多址(CDMA)、寬帶碼分多址(W-CDMA)、時(shí)分多址(TDMA)蜂窩電話(huà)、個(gè)人通信業(yè)務(wù)(PCS)、寬帶基礎設施網(wǎng)絡(luò )以及現代相控陣系統來(lái)說(shuō)意義重大。

圖1 系統框圖

系統結構
本系統主要由相位差測量芯片AD8302、4通道A/D轉換芯片AD7865、可編程邏輯器件EPM7256、PCI接口芯片S5933等幾部分組成，其中核心部分是相位差測量芯片AD8302、4通道A/D轉換芯片AD7865以及PCI接口的實(shí)現。其系統硬件原理框圖示于圖1。
系統工作原理：將需要測量的信號及其參考信號送給相位差測量芯片AD8302，AD8302將輸出相位差信號VPHS，緩慢變化的VPHS信號經(jīng)過(guò)差分放大后送給4通道14位的A/D轉換芯片AD7865，AD7865在可編程邏輯器件的控制下將數據寫(xiě)入FIFO中，FIFO在可編程邏輯器件的控制下，通過(guò)PCI接口芯片S5933實(shí)現與PCI接口間的數據交換，再由相位差測量算法完成最終的相位差測量。

相位差測量電路的硬件實(shí)現
影響整個(gè)系統性能的關(guān)鍵部分在于相位差測量電路，相位差測量電路的核心器件為相位差測量芯片AD8302。AD8302是ADI公司用于RF/IF相位差測量的單片集成電路，它能同時(shí)測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內的兩輸入信號之間的相位差。它有測量、控制器和電平比較器三種工作方式，我們采用的是測量工作方式，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 相位差測量電路

圖3 AD8302相位差響應特性曲線(xiàn)

AD8302利用對數放大器具有對數壓縮功能的原理，通過(guò)精密匹配的兩個(gè)寬帶對數檢波器來(lái)實(shí)現對兩輸入通道信號的相位差測量，其相位差測量方程式為：
                      (1)
其中F(VINA)為A通道的輸入信號初相位，F(VINB)為B通道的輸入信號初相位，VF為斜率，VPHS為相位差輸出。默認測量模式下的相位差的理想響應特性曲線(xiàn)如圖3所示。
由AD8302的相位差響應特性曲線(xiàn)可見(jiàn)，我們不能判斷所測信號與參考信號的相位差是在0~-180度還是在0~+180度，但是在0~-180度和在0~+180度時(shí)AD8302的相位差響應特性曲線(xiàn)的斜率不同，為此我們通過(guò)改變參考信號的初相位得到兩組值，根據得到的兩組值即可判斷出所測信號相位差的正負。
另外，通過(guò)實(shí)測AD8302的相位差響應特性，我們還發(fā)現AD8302的低頻相位差特性與高頻相位差特性還是略有差別的，為了提高整個(gè)系統的相位差測量精度，因此很有必要在軟件算法上加以修正。經(jīng)過(guò)分析我們確定相位差測量算法以相位差為