AD型相位差测量系统的设计_精品文档.pdf

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电子科技2005年第11期（总第194期）AD8302型相位差测量系统的设计郑珍，王海，周渭，张云华（西安电子科技大学信息处理研究所，陕西西安710071）摘要传统的相位差测量仪需要采用多片中小规模集成电路，不仅电路复杂，测量相位差的精度不高，而且适用的频率范围窄，因此在实际应用中存在着不足之处。

本丈介绍了用于RFIF幅度和相位测量的芯片AD8302、一种高速异步FIFO芯片SN74ACT78O8和高速AD芯片TLC5540的性能特性，并利用MCU及上述芯片设计了一种新型的相位差测量系统，给出了该测量系统的接口电路，并阐述了它的实现原理。

关键词相位差；AD8302；SN74ACT7808；TLC5540中图分类号TN431引言在实际工作中，经常会遇到需要检测两个信号之间的相位差，这也是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。

在某些领域，精确地测量两个信号之间的相位差，具有很重要的意义。

例如在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中，常常需要测量两列同频信号的相位差。

当电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这就需要精确测量两列工频信号的相位差。

但传统的相位测量仪存在很多缺陷，如其工作的频段窄，只能测量低频或中频信号，测量的精度也不高。

因此迫切需要提出一种电路简单、测量精度高的新型的测量相位差的方法。

本文设计了一种基于AD8302的新型相位差测量系统，可精确测量两个独立的射频（RF）、中频（IF）或低频信号的相位差，相位测量精度高，被测信号的频率可以高达27GHz，它能对无线设备进行综合测试、校准、测量和控制，可广泛用于全球移动通信系统、码分多址、宽带码分多址、时分多址移动电话、个人通讯业务及宽带基础设施网络等领域。

2芯片介绍21AD8302的功能特性及其测量原理AD8302是美国ADI公司于2001年推出的用于RFIF幅度和相位测量的首款单片集成电路，它收稿日期：

2005071148能同时测量从低频到27GHz频率范围内两输入信号之间的幅度比和相位差。

该器件将精密匹配的两个对数检波器集成在一块芯片上，因而可将误差源及相关温度漂移减小到最低限度。

该器件在进行幅度测量时，其动态范围可扩展到60dB，而相位测量范围则可达180度。

AD8302的主要功能特性有：

a可在低频到27GHz频率范围内测量两个输入信号的增益（亦称幅度比）和相位差；AD8302不仅能测量放大器、混频器等电路的增益和相位差，而且特别适合对无线基站及测试设备进行检测；b测量增益时两个输入信号的动态范围为_+30dB，输出电平的灵敏度为30mVdB，误差小于05dB。

对应于一30dB的输出电压为30mV，对应于+30dB的输出电压为18V。

输出电流为8mA，转换速率为25Vgs；c精确幅度测量比例系数为30mVdB；d精确典型值小于05dB；AD8302测量相位差的范围是0_180，所对应的输出电压范围为0-18V，输出电压灵敏度为10mV（），测量误差小于05。

当相位差=O时，输出电压为18V；当=180时，输出电压为30mV，输出电流为8mA。

相位输出时的转换速率为30MHz，响应时间为40ns500ns（视被测相位差而定）；e精确相位测量比例系数为10mV（）；f精确典型值小于1；维普资讯http:

/AD8302型相位差测量系统的设计g该器件在操作时，具有测量、控制和电平比较三种工作方式；h带有稳定的18V基准电压偏置输出；i视频带宽响应为30MHz；J采用27V55V单电源工作；k采用小型14引脚TSSOP封装。

1AD8302的内部结构主要包括两个精密匹配的解调式宽带对数放大器，一个乘法器型的宽带相位检测器，三个加法器（），一组输出放大器，偏置电路和基准电压缓冲器。

输入信号可以是单端信号，也可以是差分信号。

AD8302能精确测量两个信号之间的幅度和相位差，是利用对数放大器具有对数压缩功能的原理，通过精密匹配的两个宽带对数检波器来实现对两输入通道的幅度和相位差测量，其幅度和相位差测量方程式如下：

Umag=Uslplg（UiaUib）Uph=己（Ui。

）一（Uib）】式中，i。

和b分别为两路输入电压，。

为增益输出电压，l。

为增益斜坡电压。

表相位差斜坡电压，单位是mV（）；为每个信号的相位，单位是度。

图1AD8302的相位差测量电路在我们研究的测量系统中用到的是AD8302的相位测量模式，当增益输出端（。

）和相位差输出端（lDh）分别与反馈端MSET、PSET直接相连时，就进入测量模式并工作在默认的斜率和中心点上。

其电路原理见图1所示，此时相位差灵敏度Ke：

10mV（。

）。

图2AD8302在测量模式下的相位差响应特性曲线AD8302在测量模式下的相位差的理想响应特性曲线如图2所示。

AD8302在测量时具有180的相位差范围。

该相位差范围既可以是0+180（以90。

为中心），也可以是0o180（以一90为中心）。

根据AD8302的相位差响应特性曲线在0o一180和在0o一+180。

时的斜率不同，即可判定两个被测信号的相位差为正或者为负。

22高速AD芯片TLC5540的性能简介TLC5540模数转换芯片是TI公司的8位AD转换器，是一款高速、低功耗且内部带有采样保持器的AD转换器，它的最高转换速率可以达到40MHz。

TLC5540可以使用内部参考电压，也可以使用外部参考电压。

当使用外部参考电压时，REFB接参考电压的最低电压，REFT接参考电压的最高电压，需要注意的是REFB与REFT的电压差不能大于4V，并且REFT不能高于VDDD（芯片的电源）；电子科技2005年11月15日49维普资讯http:

/AD8302型相位差测量系统的设计当使用内部参考电压时，REFBS接地，REFTS接VDDA（模拟信号电源）。

TLC5540的使用方法非常简单，它的数据采集时序是当CLK为高电平时转换数据，当CLK为低电平时输出有效数据，一个时钟周期转换一次。

当要从AD中读取数据时，只要0E保持低电平即可，当0E为高电平时D1-D8为高阻态。

23FIF0芯片SN74ACT7808性能介绍SN74ACT7808是2048字节9位可以实现先进先出异步读写操作的双端口存储器。

它提供“空”（EMPTY）、“满”（FULL）、“半慢”（HF）以及可编程的“几乎空与几乎满”（AFAE）等状态标志。

它允许多片FIFO级联，可以在字节宽度和容量深度两方面进行扩展。

SN74ACT7808的引脚及其功能可参考其器件介绍。

FIFO是一种新型的基于队列存储方式的存储器，读写操作会自动访问存储器中连续的存储单元。

从FIFO中读出的数据顺序与写入的顺序相同，地址的顺序在内部已经预先定义好了。

对FIFO的读写操作只由读写信号控制，不需要另外的地址信息。

这使得FIFO的控制电路变得十分简单：

读数据时只要OE保持为高电平同时使UNCK产生一个上升沿；写数据只要LDCK产生一个上升沿即可。

SN74ACT7808采用9位数据宽度，第9位可以根据用户需要做控制位或奇偶校验位用。

TI公司生产的sN74AcT78O8的存取速度可以达到15ns。

3相位差测量系统的系统结构及工作原理31AD8302实现的相位差测量系统的硬件设计本系统主要由相位差测量芯片AD8302，高速AD芯片TLC5540，高速异步FIFO芯片sN74ACT7808，MCU，液晶显示模块等几大部分组成。

在此相位差测量系统中我们利用MCU及高速AD芯片TLC5540与FIFO芯片SN74ACT7808设计了一个高速不连续采样的数据采集系统，并且利用高速AD与FIFO设计一个电路使数据的采集与存储自动地保持同步，这样就突破了速度瓶颈，在数据处理部分我们采用廉价、使用方便的单片机AT89C51，并且可把采集到的数据传给计算机进行其他有用的运算，在本实验中利用相位差测量算法进行数据的处理并把结果送入液晶显示模块直接显示出被测相位差，整个硬件电路的设计原理如图3所示。

图3该相位差测量系统的电路框图现介绍该测量系统的工作原理和局部控制过程：

将需要测量的信号Uina及其参考信号Uinb分别送至相位差测量芯片AD8302的A通道、B通道，在实验中所用的参考信号和测试信号均为任意信号发生器产生，测试信号的相位偏移是通过任意信号发生器编程来实现的。

AD8302将输出相位差信5ITAgeNov152005维普资讯http:

/AD8302型相位差测量系统的设计号Uphs，并把Uphs信号送入高速数据采集系统进行数据的采集与处理，由于是高速数据采集，单片机相对AD来说速度远远不够，所以需要设计一个电路让数据采集与存储自动完成。

在采样期间，单片机可以做自己的数据工作和其它工作。

采样结束后，再由单片机对采集来的数据进行处理，并由相位差测量算法完成最终的相位差测量，最后送入LCD直接显示出被测相位差。

完成后，又继续采样，如此反复进行。

单片机的P10脚通过与门与外部CLK时钟相连，这样单片机就可以控制AD的采样。

当P10脚为低电平时AD的CLK没有脉冲，采样停止。

由AD的数据采集时序与FIFO的数据存储时序可知，将AD的CLK和0E连接在一起，再通过一个反向器与FIFO的LDCK连在一起，这样，数据的采集与数据保存到FIFO中就保持了严格的同步，不需要单片机来控制。

当FIFO保存的数据几乎满后给单片机一个中断信号，单片机接到中断信号后置P10为低电平停止采样，然后把数据从FIFO中读出。

因为单片机的WR经反向器后接到FIFO的UNCK，P27接到FIFO的0E，这样从FIFO中读数据就像读外部RAM一样，它的有效地址只要保持P27引脚为高电平即可（如FFFFH）。

数据处理完毕后把数据送入