高精度幅相檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為了提高幅相檢測精度、簡化電路、擴(kuò)展頻率范圍，設(shè)計(jì)了一種基于AD8302高精度幅度相位檢測系統(tǒng)。通過分析AD8302的特點(diǎn)以及工作原理，提出了幾種提高相位檢測精度的方法，并設(shè)計(jì)采用AD8302、DDS和單片機(jī)組成高精度幅相檢測系統(tǒng)，成功地解決了AD8302相位檢測過程中存在的二值性、非線性、移相以及校準(zhǔn)問題，實(shí)現(xiàn)兩路模擬輸入信號的相位差和幅度差的精確測量。測試結(jié)果表明基于AD8302的幅相檢測系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：AD8302；幅相檢測；相位差；DDS；移相

    由于傳統(tǒng)的數(shù)字或模擬幅度相位檢測方法電路復(fù)雜，易受干擾測量精度低，而且適用的頻率范圍窄，只能測量中低頻信號，因此研究出一種電路簡單、測量精度高、測量頻帶寬的新型幅相檢測方法就具有很重要的意義。文中設(shè)計(jì)了一種基于AD8302的高精度幅相檢測系統(tǒng)，可精確測量兩個(gè)獨(dú)立的射頻、中頻或低頻信號的幅度相位差，測量精度高，可廣泛用于在信號變換、信息采集、控制以及通信等領(lǐng)域。

1 AD8302工作原理
    AD8302是ADI公司推出的用于RF／IF幅度和相位測量的首款單片集成電路，它能同時(shí)測量從低頻到2．7 GHz頻率范圍內(nèi)兩輸入信號之間的幅度比和相位差。AD8302主要由精密匹配的兩個(gè)寬帶對數(shù)放大器、一個(gè)相位檢測器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器組成，其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。AD8302之所以能進(jìn)行幅度和相位差的精確測量主要是由于其內(nèi)部的兩個(gè)寬帶對數(shù)放大器，每一個(gè)寬帶對數(shù)放大器都由6個(gè)10 dB增益級串聯(lián)而成，6個(gè)增益級都帶有7個(gè)輔助濾波器，這樣的結(jié)構(gòu)使它具有的對數(shù)的壓縮功能，可以將寬頻帶的兩個(gè)輸入電壓變?yōu)檎瓗У姆重惪潭容敵?，從而?shí)現(xiàn)了對兩個(gè)輸入信號增益的測量。測量后的結(jié)果是將輸入信號的相位差變換為電壓輸出，范圍是0～1．8V，幅度之比也變換為相應(yīng)的電壓輸出。

    AD8302通過精密匹配的2個(gè)寬帶對數(shù)放大器來實(shí)現(xiàn)對2個(gè)輸入通道信號的幅度和相位測量，其幅度和相位測量方程式為：
   
    式中：VinA為A通道的輸入信號幅度；VinB為B通道的輸入信號幅度；Vslp為斜率；Vmag為幅度比較輸出；φ(VinA)為A通道的輸入信號相位；φ(VinB)為B通道的輸入信號相位；Vφ為斜率；Vphs為相位比較輸出。

2 提高相位檢測精度的方法
    AD8302作為幅度相位測量芯片也存在著不足，例如在相位檢測時(shí)只能輸出0°～-180°需要進(jìn)行二值性判斷、相位檢測的非線性等。AD8 302的這些缺點(diǎn)對相位檢測的精度影響尤為突出，以下給出幾種提高相位檢測精度的方法。
2．1 AD8302相位二值性判斷
    AD8302相位差響應(yīng)特性曲線如圖2所示，只有一路相位輸出信號時(shí)我們不能直觀判斷出待測信號與參考信號的相位差是在0°～-180°還是在0°～+180°之間，存在著相位二值性判斷問題，即圖中所示輸出電平為1．5V時(shí)，無法判斷相位差是A還是B。

    為了準(zhǔn)確地判斷出相位差的正負(fù)，我們用附加相移的參考信號再次與待測信號進(jìn)行測量，例如將參考信號向左轉(zhuǎn)移90度，相位差則向右轉(zhuǎn)移90度，此時(shí)A與B將成為點(diǎn)A’與B’，這時(shí)就可以通過測量到的電壓值來判斷出相位差的正負(fù)，如果測量的電壓值是A’的電壓值那么待測信號與參考信號的相位差就可判斷為A。利用移相的方法可以很好地解決AD8302相位檢測二值性判斷問題。
2．2 AD8302相位檢測非線性問題
    許多相位檢測器在接近0或180度時(shí)都有很大的誤差存在非線性問題，AD8302也不例外，據(jù)數(shù)據(jù)手冊可知，當(dāng)輸入信號在900 MHz時(shí)，AD8 302在其整個(gè)180°的測量范圍內(nèi)能使相位測量精度線性保持在±1°以內(nèi)的部分只有143°，而在0°或180°附近最大誤差超過8°。為了使整個(gè)測量范圍內(nèi)測量精度基本一致，可采用了兩路相位差信號相互校準(zhǔn)的方法進(jìn)行測量。例如圖2中相位差A(yù)在0°或180°附近時(shí)，移相相位差A(yù)’就會(huì)在90°或270°附近，輸出信號在測量的線性區(qū)域精度較高，因此，可采用輸出信號A’的測量結(jié)果作為測量結(jié)果。反之，當(dāng)輸出信號A’的相位差在0°或180°附近時(shí)，輸出信號A的相位差就會(huì)在90°或270°附近，此時(shí)，輸出信號A在測量的線性區(qū)域精度較高，因此，可采用輸出信號A的測量結(jié)果作為測量結(jié)果。最后處理時(shí)只需要加上或減去移相器移相的相位即可。
2．3 移相方法分析
    信號移相的方法有很多，比如延遲線、移相器以及濾波器等。延遲線在一般的處理過程中可視為無耗傳輸線，設(shè)在同軸電纜的始端接入相位為ω，經(jīng)過長度L傳輸后，得到引入的相位滯后是△φ=2πfL／c，顯然這是一個(gè)正比于頻率的量。而無論是數(shù)字移相器還是模擬移相器大多也是利用延遲單元或不同電長度的傳輸線構(gòu)成，他們延遲精度主要依賴于延遲器件的穩(wěn)定度及其本身延遲時(shí)間的漂移大小，而且工作頻帶大多是窄頻帶。顯然，延遲線或移相器都不適合應(yīng)用在0～100MHz頻段。
    DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號合成技術(shù)。使用DDS進(jìn)行移相有諸多優(yōu)點(diǎn)，首先，DDS相位分辨率高，含有14位相位寄存器的DDS相位最小分辨率可達(dá)到0．022度；其次，DDS輸出頻率相對帶寬很寬，輸出的最高頻率一般可達(dá)0．4fc，其中fc為DDS的系統(tǒng)時(shí)鐘；再次，DDS可編程、全數(shù)字化、相位輸出連續(xù)。為此，利用DDS輸出的參考信號在寬頻帶內(nèi)相位可控、移相精度高誤差小、相位轉(zhuǎn)換速率快，充分地克服了以往移相器件的不足，這樣的參考信號在AD8302中分別與待測信號進(jìn)行比較，測量出的相位差與幅度差精度高。
2．4 相位檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)
    當(dāng)把AD8302的輸出引腳VMAG和VPHS直接與芯片反饋設(shè)置輸入引腳MSET和PSET相連時(shí)，芯片的測量模式將工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上，精確幅度測量比例系數(shù)為30 mV／dB，精確相位測量比例系數(shù)為10 mV／度。根據(jù)實(shí)際測量可知，AD8302在不同頻率下幅相系數(shù)并不相同，為了提高檢測精度必須對其進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的方法是把整個(gè)頻段分為若干個(gè)小頻段，利用專業(yè)儀器例如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在頻段內(nèi)對幅相差進(jìn)行測量，根據(jù)測量值通過比對計(jì)算來確定精確的比例系數(shù)。

3 基于AD8302的相位檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    幅相檢測系統(tǒng)的如圖3所示，DDS選用AD9959輸出參考信號，AD9959為四通道輸出數(shù)字頻率合成芯片，它輸出的4個(gè)通道信號都由一個(gè)相位累加器輸出，所以信號間相位差非常微小。待測信號分別輸入兩片AD8302并與參考信號進(jìn)行比較，之所以用兩片AD8302是為了保證與待測信號比較時(shí)參考信號的相位連續(xù)性。AD8302輸出的相位差和幅度差進(jìn)入AD數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，在單片機(jī)中運(yùn)算成待測信號之間的幅度差和相位差。為了判斷相位差的二值性，DDS輸出相位轉(zhuǎn)移90后的參考信號再進(jìn)行一次檢測。

    AD8302的輸入信號范圍為-60～0 dBm(50 Ω系統(tǒng))，輸入必須經(jīng)AC耦合，耦合電容根據(jù)輸入信號的頻率范圍合理設(shè)置。AD8302的電路圖如圖4所示，兩路射頻信號首先經(jīng)電阻衰減網(wǎng)絡(luò)衰減16 dB，然后經(jīng)電容耦合輸入到AD8302中，耦合電容選擇0．1μF，輸出為0～1．8 V的幅相電壓信號，其中C7和C8分別構(gòu)成幅度和相位輸出信號的低通濾波器。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)的基于AD8302的幅相檢測系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某技改科研項(xiàng)目上，由于采取了若干提高檢測精度的措施，相位檢測精度可達(dá)到0．2°，幅度檢測精度可達(dá)到0．1 dB。實(shí)踐證明，利用AD8302進(jìn)行幅度和相位檢測電路簡單、測量精度高、系統(tǒng)可靠性高、成本低，具有良好的應(yīng)用前景。