一種精度可調的數字控制移相原理

1 引言　　移相電路在現代通訊技術、波形調制和雷達掃描等許多方面有著大量的運用。目前實現方式大致可分為模擬和數字2類。模擬移相器的電路較為復雜、線性差、響應時間慢，抗電磁干擾能力差。而數字移相器主要分2類[1]：第一類是運用直接數字式頻率合成技術dds。另一類是利用單片機計數延時的方法實現。其中使用dds的移相器的實現精度大多依照"360°/2°"的方式實現，即其能夠實現180°，90°，45°，22.5°，11.25°等精度[2]。另外其實現電路也較為復雜；而第二類利用單片機雖然可以實現較高精度的移相，但使用的單片機屬于硬核ip[2]，在大規(guī)模集成和使用權問題上十分不方便。本文介紹的基于可編程數字控制方法的移相原理，其精度可以通過精度控制輸入信號任意賦予(在本文中精度調制為1°來說明)。此原理的電路采用采樣電路和精度為1°的360倍倍頻器等進行延時輸出波形，方法簡便，電路結構簡單，能夠配合任意工藝特性加以實現，且能夠方便地集成到大規(guī)模電路中去。2　基本原理　　本系統是基于數字倍頻器進行延時操作而實現的移相。實現原理是把輸入模擬波形(如正弦信號)的周期tin轉化為原來的1/data，tin/data即為移相精度，data值通過精度控制輸入信號賦值。當data為360時，精度為1°；當data為720時，精度為0.5°；若要更小的精度，可依此類推。本文中為便于顯示移相波形，把精度設置為1°。則精度為tin/360，所用的倍頻器倍頻因子即為360。這樣經n個tin/360延時(n為移相的具體數值，由記時控制輸入信號d賦值)，再輸出波形。和原波形相比就形成了移相。從實現的電路方面來講，要把輸入波形周期變?yōu)樵瓉淼?/360，或者說把輸入波形的頻率變?yōu)樵瓉淼?60倍，最直接的辦法就是采用倍頻器。而數字倍頻器的輸入是數字信號，則應先把模擬量轉化為數字量，這就需要一個模擬比較器。在得到倍頻輸出信號后，為了要得到希望的n值，還應在倍頻器后添加數字定時輸出計數器，以輸出延時控制信號。最后把模擬信號輸入a/d電路，通過rom存儲，再在延時控制信號的作用下延時輸出數字量，再經過d/a電路還原為模擬量，最終實現移相操作。其中倍頻器具有360倍倍頻能力?！　≥斎肽M信號(如正弦波)經過信號比較器，波形電壓與零伏比較后，高于零伏的電壓段轉化為高電平，低于的轉化為低電平，這樣輸入信號就轉化為周期相同的數字信號。a/d，rom，d/a和一些控制電路構成移相輸出控制模塊。其中移相控制部分的倍頻器，定時輸出計數器構成可編程數字控制部分，都可以通過硬件語言編譯實現。2.1數字倍頻器　　這里使用的數字倍頻器(電路如圖2所示)的算法是基于采樣的原理來實現[4]，理論上能夠實現任意倍倍頻，這里為方便說明和顯示波形，設置為360倍，即倍頻因子為360，精度為1°?！　‘斝盘朼經過比較器后，a轉化為具有相同周期的數字信號da，他們的周期均為tclk_in。通過引入高頻時鐘信號(其周期為thf_clk)采樣，以此來計數在一個tclk_in中含有的thf_clk的個數，把這個結果記為nhf。則有：nhf＝tclk_in/thf_clk (1)
由于倍頻因子是360，所以對于倍頻后的結果clk_div_n1有：nhf_of_clk_dive_n1＝nhf/360 (2)tclk_div_n1＝nhf_of_clk_dive_n1×thf_clk (3)tclk_div_n1為倍頻后倍頻器輸出波形的周期，nhf_of_clk_dive_n1為一個tclk_div_n1中含有的采樣信號周期的個數。聯立式(1)，(2)，(3)，可得：tclk_div_n1＝tclk_in/360 (4)亦即：fclk_in×360＝fclk_div_n1 (5)　　從而實現了360倍倍頻。tclk_div_n1就是信號a相移27π/360(即1°)時所占的時間間隔。圖3是本倍頻器的仿真波形(這里把倍頻因子固定為360)。在每次輸入信號周期變化后，都按照新的周期進行360倍倍頻這里應說明的幾點是：

　　data就是精度控制信號，不難看出，實際上他也就是倍頻器的倍頻因子。當data＝360時，移相精度為1°。那么當倍頻因子改變時，移相精度隨之而改變。若data為720，則移相精度為0.5°；若data為3 600，則移相精度為0.1°。這些都可以通過改變精度控制信號data來實現，從而達到精度可變的目的?！　?2)reset為復位信號，在輸入信號da(也就是電路圖中信號clk_in)時應先復位?！　?3)每隔一個tclk_in，nhf就會被重新計算一次，并與上次的結果作比較，這樣輸出信號cal_dif會在輸入信號clk_in的周期發(fā)生變化時(也就是兩個nhf數值不一樣時)，輸出一個高電頻。這個高電頻就是下兩個模塊數字定時輸出計數器和數?；旌陷敵隹刂齐娐分幸徊糠帜K的復位信號，從而達到倍頻器輸出信號周期自調節(jié)的目的?！　?4)式(1)～式(5)的推導實際上都忽略了除法中的余數問題。當式(1)除不盡時要考慮余數的四舍五入問題。式(2)，式(4)應修改為：nhf_of_clk_dive_n1＝nhf/360 (6)tclk_in＝360×tclk_div_n1＋r (7)