AD型相位差测量系统的设计_精品文档.pdf

1、电子科技 2 0 0 5年第 1 1 期(总第 1 9 4期)A D 8 3 0 2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 7 1 0 0 7 1)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R F I F 幅度和相位测量的芯片A D 8 3 0 2、一种高速异步 F I F O芯片 S N 7 4 A C T 7 8 O 8 和高速 A D芯片 T L C 5 5 4 0的性能特性，并利用 M C U及上述芯片设计了

2、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；A D 8 3 0 2；S N 7 4 A C T 7 8 0 8；T L C 5 5 4 0 中图分类号T N 4 3 1 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

3、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 A D 8 3 0 2 的新型相位差测 量系统，可精确测量两个独立的射频(R F)、中频(I F)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 2 7 G H z，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 2 1 A D 8 3 0 2的功能特性及其测量原理 AD8 3 0 2

4、是美 国 A DI 公 司于 2 0 0 1年推出的用 于 R F I F幅度和相位测量的首款单片集成 电路，它 收稿 日期：2 0 0 5 0 7 1 1 4 8 能同时测量从低频到 2 7 G H z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 6 0 d B，而相位测量 范围则可达 1 8 0度。A D8 3 0 2的主要功能特性有：a 可在低频到 2 7 G H z 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；A D 8 3 0 2

5、 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 _+3 0 d B，输出电平的灵敏度为 3 0 mV d B，误差小于 0 5 d B。对应于一 3 0 d B的输出电压为 3 0 m V，对应于+3 0 d B的输出电压为 1 8 V。输出电流为 8 m A，转 换速率为 2 5 V g s；c 精确幅度测量 比例系数为 3 0 mV d B；d 精确典型值小于 0 5 d B；A D 8 3 0 2 测量相位差的范围是 0 _ 1 8 0 ，所对应 的输出电压范围为 0-1 8 V，输出电压灵敏度为

6、 1 0 m V()，测量误差小于 0 5 。当相位差 =O 时，输出电压为 1 8 V；当 =1 8 0 时，输 出电压为 3 0 mV，输出电流为 8 m A。相位输出时的转换速率 为 3 0 MH z，响应时间为 4 0 n s 5 0 0 n s(视被测相位 差而定)；e 精确相位测量比例系数为 1 0 m V()；f 精确典型值小于 1；维普资讯 http:/ A D 8 3 0 2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 1 8 V基准电压偏置输出；i 视频带宽响应为 3 0 MH z；J 采用 2 7 V 5 5 V单 电

7、源工作；k 采用小型 1 4引脚 T S S O P 封装。1 A D 8 3 0 2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。A D 8 3 0 2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：U m a g=U s l p l g(U i a U i b)U p h =己 (U i。)一 (U i b)】式

8、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 m V()；为每个信号的相 位，单位是度。图 1 A D 8 3 0 2的相位差测量 电路 在我们研究的测量系统中用到的是 A D 8 3 0 2的 相位测量模式，当增益输出端(。)和相位差输 出端(lD h )分别与反馈端 MS E T、P S E T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：1 0 mV(。)。图 2 A D 8 3 0 2 在测量模式下的相位差响应特性曲线 A D 8 3 0 2在测量模式下的相位差的理想

9、响应特 性 曲线如图 2所示。AD8 3 0 2在测量 时具有 1 8 0的 相位差范围。该相位差范围既可 以是 0+1 8 0(以 9 0。为中心)，也可 以是 0 o 1 8 0 (以一 9 0 为中心)。根据 A D 8 3 0 2的相位差响应特性曲线在 0 o 一 1 8 0 和 在 0 o一+1 8 0。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。2 2高速 A D芯片 T L C 5 5 4 0的性能简介 T L C 5 5 4 0 模数转换芯片是 T I 公司的 8位 A D 转换器，是一款高速、低功耗且内部带有采样保持 器的 A D 转换器，它的最高转换速率可 以

10、达到 40 M Hz。T L C5 5 4 0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，R E F B接 参考电压的最低电压，R E F T接参考电压的最高电 压，需要注意的是 R E F B与 R E F T的电压差不能大 于 4 V，并且 R E F T不能高于 V D D D(芯片的电源)；电子科技 2 0 0 5年 1 1月 1 5日 4 9 维普资讯 http:/ A D 8 3 0 2型相位差测量系统的设计 当使用内部参考 电压时，R E F B S接地，R E F T S接 V D D A(模拟信号电源)。T L C 5 5 4 0的使用方法非 常

11、简单，它的数据采集时序是当 C L K为高电平时 转换数据，当 C L K为低电平时输出有效数据，一 个时钟周期转换一次。当要从 A D中读取数据时，只 要 0E保持 低 电平 即可，当 0E为 高 电平 时 D1-D 8 为高阻态。2 3 F I F 0芯片 S N 7 4 A C T 7 8 0 8性能介绍 S N7 4 AC T 7 8 0 8是 2 0 4 8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”(E MP T Y)、“满”(F UL L)、“半慢”(H F)以及 可编程的“几乎空与几乎满”(A F A E)等状态标志。它允许多片 F I F O级联，可以在

12、字节宽度和容量深 度两方面进行扩展。S N 7 4 A C T 7 8 0 8的引脚及其功 能可参考其器件介绍。F I F O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 F I F O 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 F I F O 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 F I F O的控制电路变得 十分简单：读数据时只要 O E保持为高电平同时使 U N C K产生一个上升沿；写数据只要 L D C K产生一 个上升沿即可。S N 7 4 A C T 7 8 0 8 采用9 位数

13、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。T I 公司生产的 s N 7 4 A c T 7 8 O 8 的存取速度可以 达到 1 5 n s。3 相位差测量系统的系统结构及工作原理 3 1 A D 8 3 0 2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 A D 8 3 0 2，高速 A D 芯 片T L C 5 5 4 0，高 速 异 步F I F O 芯 片 s N 7 4 A C T 7 8 0 8，MC U，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 MC U 及高速 A D芯片T L C 5 5 4 0与F I F O 芯片S N

14、7 4 A C T 7 8 0 8 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A D与F I F O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 A T 8 9 C 5 1，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U i n a 及其参考信号 U i n b 分 别

15、送至相位差测量芯片 AD8 3 0 2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。A D 8 3 0 2将输出相位差信 5 I TAg e No v 1 5 2 0 0 5 维普资讯 http:/ A D 8 3 0 2型相位差测量系统的设计 号U p h s，并把 U p h s 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 A D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

16、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 L C D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P 1 0 脚通过与门与外部 C L K时钟相 连，这样单片机就可以控制 A D 的采样。当 P 1 0 脚为低电平时 A D的 C L K没有脉冲，采样停止。由A D的数据采集时序与 F I F O的数据存储时序可 知，将 A D 的 C L K 和0E连接在一起，再通过一 个反向器与 F I F O的 L D C K连在一起，这样，数据 的采集与数据保存到F I F O中就保持了严格的同步，不需要单片机来控制。当 F I F O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 P 1 0 为低电平停止采样，然后把数据从 F I F O中 读出。因为单片机的WR经反向器后接到 F I F O的 U N C K，P 2 7 接到 F I F O的0 E，这样从 F I F O中读 数据就像读外部 R A M 一样，它的有效地址只要保 持 P 2 7引脚为高电平即可(如 F F F F H)。数据处理 完毕后把数据送入