《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的可消除高頻非線性的動(dòng)態(tài)分頻鑒相器
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
楊三三1,，賈豫東1，張曉青1,，楊 博2
1.北京信息科技大學(xué) 光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，北京100192； 2.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,，湖南 長(zhǎng)沙410073
摘要： 提出了一種可消除高頻非線性的動(dòng)態(tài)分頻鑒相器的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法,，輸入信號(hào)經(jīng)波形變換后，利用FPGA進(jìn)行分頻,，并通過(guò)8位撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)置1~255不同的分頻系數(shù),，分頻后通過(guò)數(shù)字鑒相器、低通濾波器和調(diào)理放大電路實(shí)現(xiàn)鑒相,。這種設(shè)計(jì)不僅大大提高了鑒相范圍和靈敏度,，而且消除了高頻非線性化現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明,，該數(shù)字鑒相器輸入頻率范圍200 kHz~100 MHz,，鑒相范圍-510 π~+510 π，線性度優(yōu)于±1.5%,，同時(shí)具有根據(jù)不同應(yīng)用需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)分頻的特點(diǎn),。
中圖分類號(hào)： TN763.3
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172015
中文引用格式： 楊三三，賈豫東,，張曉青,，等. 基于FPGA的可消除高頻非線性的動(dòng)態(tài)分頻鑒相器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017,，
43(12)：55-58.
英文引用格式： Yang Sansan,，Jia Yudong，Zhang Xiaoqing,，et al. Phase discriminator with dynamic frequency division for eliminating nonlinearity at high frequency based on FPGA[J].Application of Electronic Technique,，2017，43(12)：55-58.
Phase discriminator with dynamic frequency division for eliminating nonlinearity at high frequency based on FPGA
Yang Sansan1,，Jia Yudong1,，Zhang Xiaoqing1,，Yang Bo2
1.Beijing Key Laboratory for Opto-Electronic Measurement Technology，Beijing Information Science and Technology University,， Beijing 100192,，China； 2.College of Electronic Science and Engineering,，National University of Defense Technology,，Changsha 410073，China
Abstract： This paper presents the structure and implementation of a phase detector with dynamic frequency division for eliminating nonlinearity at high frequency. After the waveform transformation, the frequency of input signal is divided into 1~255 different parts by FPGA, and the division factor can be set by 8 bit dial switch. After frequency division, digital phase detector, low pass filter and modulation and amplifying circuit, the function of phase discrimination is realized. The discrimination range and sensitivity are improved greatly and the nonlinear phenomenon at high frequency is also eliminated. The experiment results show that the input ranges of frequency is 200 kHz~100 MHz, the phase can reach -510 π~+510 π and linearity is better than ±1.5% for the phase detector. Simultaneously, the dynamic frequency division is realized according to different application requirements.
Key words : high speed comparator,；FPGA,；frequency division；high linearity,；phase discriminator circuit

0 引言

    鑒相技術(shù)是電力電子系統(tǒng)和測(cè)試控制中的關(guān)鍵技術(shù)之一,，在儀器儀表、通信,、導(dǎo)航定位,、研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性和鎖相環(huán)等測(cè)試中，經(jīng)常需要測(cè)量?jī)闪型l信號(hào)的相位差,。相較于模擬鑒相器,，數(shù)字鑒相器的突出優(yōu)點(diǎn)在于提供的鑒相范圍更寬，從而使鑒相更可靠,，適用范圍也更廣,。

    傳統(tǒng)的鑒相方法主要有基于異或門的測(cè)量法和直線近似法等[1-3]，這些鑒相方法鑒相范圍窄,、輸入頻率低,、線性度差，往往存在較大誤差,。近年來(lái),，常用的數(shù)字鑒相方法有相關(guān)分析法、頻譜分析法等[4-6],，其優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)快和精度高,，但算法相對(duì)復(fù)雜，鑒相范圍窄,，輸入頻率也相對(duì)不高。AD9901在數(shù)字鑒相方面運(yùn)用的相對(duì)較多,，但鑒相范圍窄,，同時(shí)在高頻時(shí)會(huì)出現(xiàn)非線性化現(xiàn)象[7]。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的數(shù)字鑒相器,，既能消除高頻非線性,，又能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分頻和寬范圍鑒相,。

1 系統(tǒng)原理與組成

    數(shù)字鑒相器AD9901可實(shí)現(xiàn)線性相位檢測(cè)范圍，但是在高頻下AD9901會(huì)出現(xiàn)較為明顯的非線性化現(xiàn)象,。這種非線性鑒相區(qū)的產(chǎn)生,，是由于在線性檢測(cè)范圍兩端，參考信號(hào)和待測(cè)輸入信號(hào)相位接近,，數(shù)字鑒相器輸出脈寬變得很窄和鑒相器擺速增大,，從而導(dǎo)致相位增益迅速向鑒頻區(qū)（即最高和最低值處）拉近，而出現(xiàn)非線性化現(xiàn)象,。其線性鑒相區(qū)間d為[8]：

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    由式(1)～式(3)可知,，頻率越高，線性鑒相區(qū)間越窄,。在高頻段通過(guò)FPGA分頻把頻率降低,，可展寬線性區(qū)間，即可解決高頻非線性問(wèn)題,，同時(shí)鑒相范圍也大大提高,。輸入信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字鑒相器系統(tǒng)后，即可得到不同相位差所對(duì)應(yīng)的直流電壓,。數(shù)字鑒相器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,。

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2 數(shù)字鑒相器設(shè)計(jì)

2.1 波形變換

    本設(shè)計(jì)采用了超高速比較器AD8611，它的傳輸延遲只有4 ns,，極大地減小了正弦波變換為方波的時(shí)間誤差,，其波形變換電路如圖2所示。

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2.2 FPGA分頻

    通過(guò)FPGA進(jìn)行可編程分頻設(shè)計(jì),，可以靈活改變分頻系數(shù),，分頻系數(shù)大且輸入頻率滿足設(shè)計(jì)需求。通過(guò)8位撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)置分頻系數(shù),，分頻系數(shù)在1~255范圍內(nèi)變化,，其FPGA分頻流程圖如圖3所示。

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    本FPGA分頻設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)任意整數(shù)分頻,，其分頻原理如下：(1)偶數(shù)分頻：設(shè)計(jì)一個(gè)模N/2計(jì)數(shù)器,，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值為N/2-1時(shí)輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn),；(2)奇數(shù)分頻：采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行上升沿和下降沿模N觸發(fā)計(jì)數(shù),，且各自控制產(chǎn)生一個(gè)N分頻的電平信號(hào)。一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行上升沿計(jì)數(shù),，當(dāng)計(jì)數(shù)值為(N+1)/2時(shí)輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn),，再當(dāng)計(jì)數(shù)器清零時(shí)，再次翻轉(zhuǎn)就可得到一個(gè)占空比非50%的N分頻信號(hào),。同時(shí)另外一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行下降沿相同操作,，得到另外一個(gè)N分頻信號(hào),。這兩個(gè)占空比非50%的N分頻信號(hào)進(jìn)行相或運(yùn)算，即可得到占空比為50%的N分頻信號(hào),。

    使用ModelSim對(duì)FPGA分頻進(jìn)行功能仿真,，設(shè)定輸入信號(hào)頻率為10 MHz，20分頻后頻率為500 kHz,；25分頻后頻率為400 kHz,，分別如圖4(a)、圖4(b)所示,。

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2.3 數(shù)字鑒相

    AD9901能夠直接比較最高200 MHz的相位或頻率輸入信號(hào),。當(dāng)輸入信號(hào)同頻率時(shí)，就工作在鑒相模式下,，其數(shù)字鑒相電路如圖5所示,。輸出占空比θ在-2π~0范圍內(nèi)隨相位差ck2-t4-x1.gif線性增加，其輸出占空比θ為：

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2.4 低通濾波

    為了得到AD9901輸出的直流電平均值,，需采用低通濾波器來(lái)消除噪聲和信號(hào)的交流分量,。同時(shí)為了減小和抑制50 Hz工頻干擾的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)四階無(wú)源RLC巴特沃斯低通濾波器[9],，其電路如圖6所示,。

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    通過(guò)Multisim軟件對(duì)巴特沃斯低通濾波器的濾波性能進(jìn)行仿真分析，其幅頻特性曲線如圖7所示,。從圖中可以看出,，其截止頻率大約為41 Hz，達(dá)到設(shè)計(jì)要求,。

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2.5 調(diào)理放大

    為了調(diào)節(jié)AD9901輸出經(jīng)低通濾波后的直流電平的均值范圍,，采用由三級(jí)運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成的信號(hào)調(diào)理放大電路，如圖8所示,。第一級(jí)運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器,，對(duì)前后級(jí)電路起到隔離和緩沖作用；第二級(jí)運(yùn)放構(gòu)成反向加法器,，起到調(diào)節(jié)零點(diǎn)的作用,，最后一級(jí)運(yùn)放構(gòu)成反向比例放大器，以達(dá)到調(diào)節(jié)相位差變化時(shí)輸出電壓的變化幅度,，并滿足后續(xù)相關(guān)電路處理要求,。

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3 測(cè)試結(jié)果與分析

    測(cè)試過(guò)程中，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路同頻同幅,、不同相位差的正弦信號(hào),，其頻率為500 kHz，相位差為180°和270°情況下，用示波器觀察到AD9901的輸出波形,，如圖9(a)、圖9(b)所示,。

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    由式(4)可知,，在ck2-t4-x1.gif=-180°時(shí)，AD9901理論上輸出占空比為50%,。在ck2-t4-x1.gif=-270°時(shí),，AD9901理論上輸出占空比為75%（AD9901有正相和倒相輸出），實(shí)測(cè)結(jié)果與理論值符合,。

    為了測(cè)試電路在0°~360°相位差范圍內(nèi)線性情況,，設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為10 MHz，然后固定一路相位為0°,，另一路相位每6°遞增至360°,。未分頻和20分頻情況下，輸出電壓隨相位差變化曲線如圖10所示,。由式(1)知：未分頻情況下,，線性區(qū)間d=347.04°；20分頻情況下,，線性區(qū)間d=359.35°,。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在0°~6°和354°~360°范圍內(nèi)出現(xiàn)一定程度上的非線性,。

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    其線性度：

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其中,，ΔYmax為校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差，Y為滿量程輸出,。由式(7)可知,，未分頻情況下，線性度δ=-7.22%,。FPGA進(jìn)行20分頻,，其線性度δ=-1.11%。由此可知,，通過(guò)分頻,，線性區(qū)間變寬，非線性得到明顯改善,，幾乎無(wú)非線性化現(xiàn)象,。

    ck2-gs8.gif

其中，Vo是鑒相器在不同相位差下的輸出電壓,；Vo1是相位差為0°時(shí),，經(jīng)AD9901和低通濾波后得到的直流輸出電壓；Vbias是通過(guò)調(diào)節(jié)電位器W1得到的電壓；Au是放大倍數(shù),，是通過(guò)調(diào)節(jié)電位器W2得到的,。 

4 結(jié)論

    本文針對(duì)傳統(tǒng)鑒相器鑒相范圍窄、輸入頻率低,、線性度不高等問(wèn)題,，提出了一種基于FPGA動(dòng)態(tài)分頻和AD9901數(shù)字鑒相的方法。本設(shè)計(jì)鑒相范圍寬,，輸入頻率高,，能夠動(dòng)態(tài)分頻，解決了高頻非線性化的問(wèn)題,，為后續(xù)電路進(jìn)行處理提供了方便,。該鑒相器適用于高頻寬范圍相位差測(cè)量中，在工程中具有一定的參考和實(shí)用價(jià)值,。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉林,，周弘，張洪,，等.相位差的幾種測(cè)量方法和測(cè)量精度分析[J].電測(cè)與儀表,，2006，43(4)：11-14.

[2] 賀為婷,，裴廣利.一種基于FPGA的高精度數(shù)字鑒相器[J].科學(xué)技術(shù)與工程,，2012，12（30）：8047-8057.

[3] 吳靜,，金海彬.高準(zhǔn)確度的相位差測(cè)量方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),，2010，30(13)： 41-45.

[4] 趙中民,，習(xí)友寶.激光測(cè)距中數(shù)字鑒相器的設(shè)計(jì)[J].激光與紅外,，2015，45(2)：133-137.

[5] 沈廷鰲,，涂亞慶,，劉翔宇，等.基于相關(guān)原理的非整周期信號(hào)相位差測(cè)量算法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),，2014,，35(9)：2153-2160.

[6] 傅中君，王建宇,，周根元,，等.基于初相和諧波理論的相位差測(cè)量方法[J].電測(cè)與儀表，2015,，52(23)：76-80.

[7] 黃繼江,，王彥瑜.基于AD9901的高頻高精度相位測(cè)量?jī)x的研制[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),，2007，27(5)：901-904.

[8] Analog Devices Inc.The datasheet of AD9901[Z].1999.

[9] 李瑞.一種新型心電信號(hào)檢測(cè)讀取電路的研究與設(shè)計(jì)[D].重慶：重慶大學(xué),，2014.



作者信息：

楊三三1,，賈豫東1，張曉青1,，楊  博2

(1.北京信息科技大學(xué) 光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，北京100192；

2.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,，湖南 長(zhǎng)沙410073)

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