CN104535838A - 一种相频特性检测器及检测相频特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相频特性检测器及检测相频特性的方法。其中相频特性检测器，包括双路相位可调信号发生器、调制法相位检测单元，其中双路相位可调信号发生器的一路输出口与调制法相位检测单元的一路输入口相连，另一路输出口通过被测网络与调制法相位检测单元的另一路输入口相连，还包括与调制法相位检测单元的相位输出电压端相连的模数转换电路，模数转换电路的输出端经过数字控制单元与双路相位可调信号发生器的输入端相连，数字控制单元分别与显示单元、设置单元相连。本发明操作简单方便，能避开调制法相位检测单元相位检测误差较大的区域，测量精度大，同时能直接判断被测网络是超前网络还是滞后网络，以及获得被测网络的相位移。

Description

一种相频特性检测器及检测相频特性的方法

技术领域

本发明涉及被测网络的频率特性测量领域，具体涉及一种相频特性检测器及检测相频特性的方法。

背景技术

在雷达技术、通信技术等领域经常需要检测被测网络的频率特性，如测量滤波器、放大器、高频调谐器、双工器与天线的频率特性。

频率特性包括幅频特性与相频特性。目前市场上国外频率特性测试仪或扫频仪产品大都集中在技术含量高与利润率高的射频和微波频段，中低频的产品比较少，并且大都价格昂贵，国内厂商生产的中低频数字扫频仪价格也较高并且大多不具备相位检测功能或者相位检测精度较差。

目前应用在中频场合且容易实现的相位检测法有过零比较法与调制法，其中调制法又称乘法器法，它是将两个同频率的正弦信号通过乘法器相乘，再将其输出通过一个低通滤波器得到相位差信息。其原理如下：

首先利用双路相位可调信号发生器输出两路频率相同的信号，其中一路信号为参考信号，直接输送至调制法相位检测单元；另一路信号为扫频信号，通过被测网络后输出被测信号至调制法相位检测单元。

设参考信号为：u_c＝Asin(ωt+θ₀)

被测信号为：u₁＝Bsin(ωt+θ₁)

将参考信号和被测信号相乘，得到：

$\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{out}}=\mathrm{AB}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_0)\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_1)\\ =\frac{\mathrm{AB}}{2}[\cos ({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_1)-\cos (2\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1)]\end{array}$

最后将输出信号u_out通过一个低通滤波器就可以得到相位差信息：

$u_{\mathrm{\φ}}=\frac{\mathrm{AB}}{2}\cos ({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_1)$

只要已知幅值A与B，便可算出(θ₀-θ₁)的绝对值。

现在广泛采用的相位检测芯片AD8302就是根据此原理设计的。然而利用该方法得到的是参考信号和被测信号相位差的绝对值，至于相位超前还是滞后需外加额外的电路或者方法来判断。

此外，国产数字频率特性测试仪的相位检测在0°与180°附近误差较大。

以AD8302为例，由AD8302的数据手册可知，AD8302的输入相位差与相位输出电压的关系式为V_PD＝V_Φ[Φ(V_INA)-Φ(V_INB)]，其中Φ(V_INB)与Φ(V_INA)为两路输入信号的相位，V_Φ为斜率。

AD8302的输入相位差与相位输出电压的理想关系曲线如图1所示，但AD8302的相位检测存在非线性，其输入相位差与相位输出电压的实际关系曲线如图2所示。由图2可知，当输入相位差在-30°～30°、-180°～-150°、150°～180°之间时，AD8302的相位检测存在较大误差，最高误差可达7°。

发明内容

使用现有的调制法相位检测单元测量被测网络的相位移时，无法直接判断被测网络是超前网络还是滞后网络，且相位检测有可能存在较大误差。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种相频特性检测器及检测相频特性的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种相频特性检测器，包括双路相位可调信号发生器、调制法相位检测单元，其中双路相位可调信号发生器的一路输出口与调制法相位检测单元的一路输入口相连，双路相位可调信号发生器的另一路输出口通过被测网络与调制法相位检测单元的另一路输入口相连，还包括与调制法相位检测单元的相位输出电压端相连的模数转换电路，模数转换电路的输出端经过数字控制单元与双路相位可调信号发生器的输入端相连，所述数字控制单元分别与显示单元、设置单元相连。

进一步地，所述调制法相位检测单元的相位输出电压端和模数转换电路之间还连接有低通滤波器和/或放大电路。

作为一种优选方式，所述调制法相位检测单元为AD8302及其***电路。

作为一种优选方式，所述显示单元为LCD显示屏。

作为一种优选方式，所述设置单元为键盘。

双路相位可调信号发生器用来产生两路频率稳定度高、频率范围宽、相位可任意调节的正弦信号，其中一路信号为参考信号，直接输送至调制法相位检测单元，另一路信号为扫频信号，通过被测网络后输出被测信号至调制法相位检测单元。调制法相位检测单元用来测量参考信号和被测信号之间的相位差。低通滤波器用来进一步滤除调制法相位检测单元的相位输出电压的高频成分。放大电路使得相位输出电压接近模数转换器的满量程，提高测量精度。模数转换电路用来对相位输出电压进行模数转换。通过设置单元调节数字控制单元的输入，从而控制双路相位可调信号发生器输出的两路信号的频率和相位，数字控制单元还可以对相关的数据进行比较，从而得到相应的结论，并输出至显示单元显示。

一种检测相频特性的方法，包括以下步骤：

a)双路相位可调信号发生器输出两路信号，其中一路信号为参考信号，直接输送至调制法相位检测单元；另一路信号为扫频信号，通过被测网络后输出被测信号至调制法相位检测单元，利用设置单元通过数字控制单元设置扫频信号和参考信号的频率都等于待测频率；

b)计算调制法相位检测单元的输入信号相位差绝对值为θ₂、θ₃时对应的相位输出电压U₂、U₃，计算U₂、U₃通过模数转换电路时对应的数字量D₂、D₃，其中θ_临界1≤θ₂＜θ₃≤θ_临界2，θ_临界1、θ_临界2为调制法相位检测单元相位输出电压误差较大时的临界输入信号相位差绝对值；

c)利用设置单元通过数字控制单元重复调节扫频信号和参考信号的相位差，直到调制法相位检测单元的相位输出电压U₁通过模数转换电路得到的D₁满足D₃＜D₁＜D₂，此时扫频信号和参考信号的相位分别为θ_扫频、θ_参考；

d)在数字控制单元中查找所述调制法相位检测单元的相位输出电压与输入信号相位差关系表，得到相位输出电压U₁对应的被测信号与参考信号的相位差的绝对值θ₁；

e)利用设置单元通过数字控制单元将参考信号的相位调为其中此时调制法相位检测单元的相位输出电压为U₄,将U₄通过模数转换电路，得到D₄；

f)在数字控制单元里比较D₁与D₄的大小；

g)在数字控制单元里计算被测网络的相位移，同时将结果送至显示单元显示；若D₁＞D₄且步骤e中对应的参考信号的相位为时，被测网络为超前网络，被测网络的相位移为θ₁-(θ_扫频-θ_参考)，若D₁＞D₄且步骤e中对应的参考信号的相位为时，被测网络为滞后网络，被测网络的相位移为-θ₁-(θ_扫频-θ_参考)；若D₁＜D₄且步骤e中对应的参考信号的相位差为时，被测网络为滞后网络，被测网络的相位移为-θ₁-(θ_扫频-θ_参考)，若D₁＜D₄且步骤e中对应的参考信号的相位差为时，被测网络为超前网络，被测网络的相位移为θ₁-(θ_扫频-θ_参考)。

经过步骤b和c，可以将相位输出电压U₁限制在相位检测单元误差较小的区域，从而避开误差较大的区域。在步骤e、f、g中，将参考信号的相位视为自变量，将相位输出电压视为因变量，结合图1，通过改变自变量的大小，再比较改变前后因变量的大小，即可以得到改变前被测信号和参考信号的相位差是θ₁还是-θ₁。由于被测网络的相位移为(θ_被测-θ_扫频)，即(θ_被测-θ_参考)-(θ_扫频-θ_参考)，因此将被测信号和参考信号的相位差减去扫频信号和参考信号的相位差，得到被测网络的相位移。

进一步地，所述调制法相位检测单元的相位输出电压端和模数转换电路之间还连接有低通滤波器和/或放大电路，所述调制法相位检测单元的相位输出电压经过低通滤波器和/或放大电路再输送至模数转换电路。

低通滤波器是为了进一步滤除调制法相位检测单元的高频输出，放大电路是为了使调制法相位检测单元的输出接近模数转换器的满量程。二者都可以提高测量精度。

作为一种优选方式，所述调制法相位检测单元为相位检测芯片AD8302及其***电路，θ_临界1＝30°、θ_临界2＝150°。

作为一种优选方式，θ₂＝45°，θ₃＝135°。

作为一种优选方式，

本发明操作简单方便，能避开调制法相位检测单元相位检测误差较大的区域，测量精度大，同时能直接判断被测网络是超前网络还是滞后网络，以及获得被测网络的相位移。

附图说明

图1为AD8302的输入相位差与相位输出电压的理想关系曲线。

图2为AD8302的输入相位差与相位输出电压的实际关系曲线。

图3为本发明一实施例的结构示意图。

其中，1为双路相位可调信号发生器，2为被测网络，3为AD8302及其***电路，4为低通滤波器，5为放大电路，6为模数转换电路，7为数字控制单元，8为LCD显示屏，9为键盘。

具体实施方式

如图3所示，本发明一实施例包括双路相位可调信号发生器1、AD8302及其***电路3，其中双路相位可调信号发生器1的一路输出口与AD8302及其***电路3的一路输入口相连，双路相位可调信号发生器1的另一路输出口通过被测网络2与AD8302及其***电路3的另一路输入口相连，AD8302及其***电路3的相位输出电压端依次通过低通滤波器4和放大电路5与模数转换电路6相连，模数转换电路6的输出端经过数字控制单元7与双路相位可调信号发生器1的输入端相连，所述数字控制单元7分别与LCD显示屏8、键盘9相连。

本发明一实施方式包括以下步骤：

a)双路相位可调信号发生器1输出两路信号，其中一路信号为参考信号，直接输送至AD8302及其***电路3；另一路信号为扫频信号，通过被测网络2后输出被测信号至AD8302及其***电路3，利用设置单元通过数字控制单元7设置扫频信号和参考信号的频率都等于待测频率；

b)计算AD8302及其***电路3的输入信号相位差绝对值为45°、135°时对应的相位输出电压U₂、U₃，计算U₂、U₃依次通过低通滤波器4、放大器、模数转换电路6时对应的数字量D₂、D₃；

c)利用设置单元通过数字控制单元7重复调节扫频信号和参考信号的相位差，直到AD8302及其***电路3的的相位输出电压U₁依次通过低通滤波器4、放大器、模数转换电路6得到的D₁满足D₃＜D₁＜D₂，此时扫频信号和参考信号的相位分别为θ_扫频、θ_参考；

d)在数字控制单元7中查找所述调制法相位检测单元的相位输出电压与输入信号相位差关系表，得到相位输出电压U₁对应的被测信号与参考信号的相位差的绝对值θ₁；

e)利用设置单元通过数字控制单元7将参考信号的相位调为θ_参考+90°或者θ_参考-90°，此时调制法相位检测单元的相位输出电压为U₄,将U₄依次通过低通滤波器4、放大器、模数转换电路6，得到D₄；

f)在数字控制单元7里比较D₁与D₄的大小；

g)在数字控制单元7里计算被测网络2的相位移，同时将结果送至显示单元显示；若D₁＞D₄且步骤e中对应的参考信号的相位为θ_参考+90°时，被测网络2为超前网络，被测网络2的相位移为θ₁-(θ_扫频-θ_参考)，若D₁＞D₄且步骤e中对应的参考信号的相位为θ_参考-90°时，被测网络2为滞后网络，被测网络2的相位移为-θ₁-(θ_扫频-θ_参考)；若D₁＜D₄且步骤e中对应的参考信号的相位差为θ_参考+90°时，被测网络2为滞后网络，被测网络2的相位移为-θ₁-(θ_扫频-θ_参考)，若D₁＜D₄且步骤e中对应的参考信号的相位差为θ_参考-90°时，被测网络2为超前网络，被测网络2的相位移为θ₁-(θ_扫频-θ_参考)。

Claims (10)

1.一种相频特性检测器，包括双路相位可调信号发生器(1)、调制法相位检测单元，其中双路相位可调信号发生器(1)的一路输出口与调制法相位检测单元的一路输入口相连，双路相位可调信号发生器(1)的另一路输出口通过被测网络(2)与调制法相位检测单元的另一路输入口相连，其特征在于，还包括与调制法相位检测单元的相位输出电压端相连的模数转换电路(6)，模数转换电路(6)的输出端经过数字控制单元(7)与双路相位可调信号发生器(1)的输入端相连，所述数字控制单元(7)分别与显示单元、设置单元相连。

2.如权利要求1所述的相频特性检测器，其特征在于，所述调制法相位检测单元的相位输出电压端和模数转换电路(6)之间还连接有低通滤波器(4)和/或放大电路(5)。

3.如权利要求1所述的相频特性检测器，其特征在于，所述调制法相位检测单元为AD8302及其***电路(3)。

4.如权利要求1所述的相频特性检测器，其特征在于，所述显示单元为LCD显示屏(8)。

5.如权利要求1所述的相频特性检测器，其特征在于，所述设置单元为键盘(9)。

6.一种利用权利要求1所述的相频特性检测器检测相频特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)双路相位可调信号发生器(1)输出两路信号，其中一路信号为参考信号，直接输送至调制法相位检测单元；另一路信号为扫频信号，通过被测网络(2)后输出被测信号至调制法相位检测单元，利用设置单元通过数字控制单元(7)设置扫频信号和参考信号的频率都等于待测频率；

b)计算调制法相位检测单元的输入信号相位差绝对值为θ₂、θ₃时对应的相位输出电压U₂、U₃，计算U₂、U₃通过模数转换电路(6)时对应的数字量D₂、D₃，其中θ_临界1≤θ₂＜θ₃≤θ_临界2，θ_临界1、θ_临界2为调制法相位检测单元相位输出电压误差较大时的临界输入信号相位差绝对值；

c)利用设置单元通过数字控制单元(7)重复调节扫频信号和参考信号的相位差，直到调制法相位检测单元的相位输出电压U₁通过模数转换电路(6)得到的D₁满足D₃＜D₁＜D₂，此时扫频信号和参考信号的相位分别为θ_扫频、θ_参考；

d)在数字控制单元(7)中查找所述调制法相位检测单元的相位输出电压与输入信号相位差关系表，得到相位输出电压U₁对应的被测信号与参考信号的相位差的绝对值θ₁；

e)利用设置单元通过数字控制单元(7)将参考信号的相位调为或者其中此时调制法相位检测单元的相位输出电压为U₄,将U₄通过模数转换电路(6)，得到D₄；

f)在数字控制单元(7)里比较D₁与D₄的大小；

g)在数字控制单元(7)里计算被测网络(2)的相位移，同时将结果送至显示单元显示；若D₁＞D₄且步骤e中对应的参考信号的相位为时，被测网络(2)为超前网络，被测网络(2)的相位移为θ₁-(θ_扫频-θ_参考)，若D₁＞D₄且步骤e中对应的参考信号的相位为时，被测网络(2)为滞后网络，被测网络(2)的相位移为-θ₁-(θ_扫频-θ_参考)；若D₁＜D₄且步骤e中对应的参考信号的相位差为时，被测网络(2)为滞后网络，被测网络(2)的相位移为-θ₁-(θ_扫频-θ_参考)，若D₁＜D₄且步骤e中对应的参考信号的相位差为时，被测网络(2)为超前网络，被测网络(2)的相位移为θ₁-(θ_扫频-θ_参考)。

7.如权利要求6所述的检测相频特性的方法，其特征在于，所述调制法相位检测单元的相位输出电压端和模数转换电路(6)之间还连接有低通滤波器(4)和/或放大电路(5)，所述调制法相位检测单元的相位输出电压经过低通滤波器(4)和/或放大电路(5)再输送至模数转换电路(6)。

8.如权利要求6所述的检测相频特性的方法，其特征在于，所述调制法相位检测单元为相位检测芯片AD8302及其***电路(3)，θ_临界1＝30°、θ_临界2＝150°。

9.如权利要求8所述的检测相频特性的方法，其特征在于，θ₂＝45°，θ₃＝135°。

10.如权利要求9所述的检测相频特性的方法，其特征在于，