CN106093572A - 基于集成鉴相器ad8302的高精度相位检测电路及其自校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于集成鉴相器AD8302的高精度相位检测电路及其自校准方法，其中，该相位检测电路包括：集成鉴相器AD8302，集成鉴相器AD8302的输入端连接有两路信号输入通道，其中任意一路信号输入通道上安装有两个可以进行加线和不加线两种状态切换的射频继电器，两种状态下集成鉴相器AD8302的输出值至少有一个处于相位响应特性曲线的线性区域，加长电缆线的长度L通过以下公式计算得到：本发明的有益之处在于：本发明的相位检测电路通过在两路信号输入通道中的任意一路信号输入通道上给信号加特定长度的延迟线缆，改变了两路信号到达集成鉴相器AD8302时的相位差，使原相位差能够跳过相位响应特性曲线的非线性区，解决了非线性区域问题和二值性问题。

Description

基于集成鉴相器AD8302的高精度相位检测电路及其自校准 方法

技术领域

本发明涉及一种相位检测电路及其自校准方法，具体涉及一种基于集成鉴相器AD8302的高精度相位检测电路及其自校准方法，属于相位差测量技术领域。

背景技术

在实际工作中，经常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。但传统的相位测量仪存在很多缺陷，如其工作的频段窄，一般只能测量低频或中频信号，测量的精度也不高。

集成鉴相器AD8302是美国ADI公司2001年推出的用于RF/IF(radio frequency/intermediate frequency)幅度和相位测量的首款单片集成芯片，主要由一个宽带相位检波器、两个宽带对数检波器、一个偏置单元、输出放大器组和一个输出参考电压(1.8V)缓冲器等部分组成。

利用集成鉴相器AD8302构建的相位差测量***，可较高精度地测量两个独立的射频(RF)、中频(IF)信号的相位差，被测信号的频率可以高达2.7GHz。

集成鉴相器AD8302测量相位差的方程式如下：

V_phs＝V_Φ(Φ(V₁)-Φ(V₂)) 式(1)

式中，V₁和V₂分别为两路输入信号幅度(单位是毫伏)，Φ(V₁)与Φ(V₂)分别为两路输入信号相位(单位是度)，V_Φ为相位响应特性曲线斜率(单位是毫伏/度)，V_phs为相位比较输出(单位是毫伏)。

由公式(1)可知，集成鉴相器AD8302的输出电压除以V_Φ就可以得到两输入信号的相位差。

集成鉴相器AD8302理想的响应特性曲线如图1所示。

但在实际情况中，使用集成鉴相器AD8302进行相位差测量时，实际的相位响应特性曲线如图2所示，其存在以下一些问题：

(1)非线性区域问题：相位在靠近0°、+180°和-180°附近时，相位响应特性曲线存在严重的非线性，如图3圆圈区域所示，非线性区的横轴宽度约为40°，如果不对非线性区域的相位差值作特殊处理，则在此区域相位值的测量误差会比较大。

(2)二值性问题：集成鉴相器AD8302的测量范围是0°～+180°和0°～-180°，由集成鉴相器AD8302理想的相位响应特性曲线可以发现，同一个电压值对应着两个相位差，恰好为一正一负，不能单从输出电压判别其正负，所以无法将测量范围扩展到0°～360°。

(3)不一致性问题：对多片集成鉴相器AD8302进行试验，发现每一片集成鉴相器AD8302的实际相位响应特性曲线都存在差异性，表现为输出曲线的斜率不同，若使用同一套系数将无法获得较高测量精度，因此需要对每一套测量电路进行校准，方能获得更加准确的斜率值。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于集成鉴相器AD8302的高精度相位检测电路及其自校准方法，其中，该相位检测电路能够有效解决相位响应特性曲线的非线性区域问题和二值性问题，能够在0MHz～60MHz频率范围内精确测量0°～360°相位差，其自校准方法能够有效解决不一致性问题，大大减少实际测量电路调试的工作量，从而可提高自动测量水平。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

基于集成鉴相器AD8302的高精度相位检测电路，包括：集成鉴相器AD8302，前述集成鉴相器AD8302的输入端连接有两路信号输入通道，其特征在于，其中任意一路信号输入通道上安装有两个射频继电器，前述两个射频继电器可以进行加线和不加线两种状态的切换，加线和不加线两种状态下集成鉴相器AD8302的输出值至少有一个处于相位响应特性曲线的线性区域，加长电缆线的长度L通过以下公式计算得到：

$L=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\×v}{f\×2\mathrm{\π}}$

式中，v为信号在电缆线中的传播速度，f为信号在电缆线中的传播频率，△φ是加长电缆线引入的相位差，△φ的大小由集成鉴相器AD8302的相位响应特性曲线的非线性区的横轴宽度确定。

前述的基于集成鉴相器AD8302的高精度相位检测电路，其特征在于，前述集成鉴相器AD8302的实际相位响应特性曲线为：

式中，U为集成鉴相器AD8302输出的电压，为电压U对应的相位，f为信号在电缆线中的传播频率，k₁、k₂和b为待定系数，通过自校准确定。

前述的基于集成鉴相器AD8302的高精度相位检测电路，其特征在于，自校准方法包括以下步骤：

(1)将两根校准用线缆分别接入第1路输入信号端口和第2路输入信号端口；

(2)给校准用电缆的另一端接入同相位信号源，改变输入信号的频率，然后记录数据(f_i，U_i，)，其中，f_i为信号源的频率，U_i为集成鉴相器AD8302输出的电压，为校准用电缆在f_i频率下的相位差；

(3)从测试记录的数据中选取均匀分布在相位响应特性曲线的左边线性区域的6组数据，采用最小二乘法拟合计算出式(6)中的k₁₁、k₂₁和b₁，其中，式(6)的表达式如下：

(4)从测试记录的数据中选取均匀分布在相位响应特性曲线的右边线性区域的6组数据，采用最小二乘法拟合计算出式(7)中的k₁₂、k₂₂和b₂，其中，式(7)的表达式如下：

本发明的有益之处在于：

(一)相位检测电路：

通过在两路信号输入通道中的任意一路信号输入通道上给信号加特定长度的延迟线缆，改变了两路信号到达集成鉴相器AD8302时的相位差，使原相位差能够跳过相位响应特性曲线的非线性区，解决了非线性区域问题，并且可以判别出原相位差处在输出特性曲线的左半区域还是右半区域，从而可使其测量范围由0°～+180°和0°～-180°转换到可测0°～360°，解决了二值性问题。

(二)自校准方法：

将数据采集和拟合曲线全部集成到程序中，采用最小二乘法求解获得实际的相位响应特性曲线，不仅使得测量精度提高，而且减少了工作量，同时还降低了电路设计难度。

附图说明

图1是理想的相位响应特性曲线图；

图2是实际的相位响应特性曲线图；

图3是本发明的相位检测电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一、相位检测电路

参照图3，本发明的基于集成鉴相器AD8302的高精度相位检测电路包括：集成鉴相器AD8302，该集成鉴相器AD8302的输入端连接有两路信号输入通道(分别记为第1路信号输入通道、第2路信号输入通道)，该两路信号输入通道中的任意一路信号输入通道(本实施例中为第1路信号输入通道)上安装有两个射频继电器(分别记为射频继电器A和射频继电器B)，射频继电器A和射频继电器B可以进行加线和不加线两种状态的切换，加线和不加线两种状态下集成鉴相器AD8302的输出值至少有一个处于相位响应特性曲线的线性区域。

根据物理学知识，信号在电缆线中传播时，其传播速度v与波长λ及频率f的关系为：

v＝λf 式(2)

加长电缆线的长度引入的相位变化为：

根据式(2)和式(3)可以得到加长电缆线的长度L的计算公式：

式(4)中，v为信号在电缆线中的传播速度(单位为m/s)，f为信号在电缆线中的传播频率(单位为Hz)，△φ是加长电缆线引入的相位差(单位为度)。

△φ的大小由集成鉴相器AD8302的相位响应特性曲线的非线性区的横轴宽度确定，由于非线性区的横轴宽度约为40°,根据经验△φ的取值范围为40°～120°较为合适，例如取△φ＝120°，信号频率f＝30Mhz，v＝3.0×10⁸m/s，利用式(4)可以算得L＝3.3m。

我们通过在两路信号输入通道中的任意一路信号输入通道上给信号加特定长度的延迟线缆，改变了两路信号到达集成鉴相器AD8302时的相位差，使原相位差能够跳过相位响应特性曲线的非线性区，并且可以判别出原相位差处在输出特性曲线的左半区域还是右半区域，从而可使其测量范围由0°～+180°和0°～-180°转换到可测0°～360°。

具体如下：

(1)对于非线性区域问题：

如果待测相位差点落在图2左下的非线性区内，增加电缆线(长度为L)后，相位差将增大，点就会向上移动，离开非线性区；

如果待测相位差点落在图2顶上的非线性区内，增加电缆线(长度为L)后，点就会向下移动或者先向上再向下移动，离开非线性区；

如果待测相位差点落在图2右下的非线性区内，增加电缆线(长度为L)后，相位差将增大，点就会先向下移动，然后跳到图2左下的非线性区内，再向上移动，离开非线性区。

这样一来，只要增加的电缆线的长度L合适，不管点落在哪个非线性区，都能跳出非线性区，测得精确值。

(2)对于二值性问题：

增加电缆线后，如果相位差点向上移动，那么点就在0°～-180°区间内，如果相位差点向下移动，那么点就在0°～+180°区间内。

这样一来，就解决了二值性问题，从而能够测量0°～360°相位差。

增加电缆线后，若相位差点落在非线性区，则用加线后测得的相位差减去增加的电缆线所引入的相位差，以此差值作为输入信号间的相位差测量值；若相位差点没有落在非线性区，则用加线前的相位差作为输入信号间的相位差测值。

由此可见，本发明的相位检测电路通过加线和不加线两种状态的切换，有效解决了相位响应特性曲线的非线性区域问题和二值性问题，从而能够在0MHz～60MHz频率范围内精确测量0°～360°相位差。

二、自校准方法

对多片集成鉴相器AD8302进行试验，发现每一片集成鉴相器AD8302的输出特性曲线都存在差异性，表现在输出特性曲线的斜率不同。这种不一致性表明，每个集成鉴相器AD8302的相位响应特性曲线是不一样的，无法直接采用理论的相位响应特性曲线。若采用人工测试计算的方法拟合相位响应特性曲线，将耗费大量的人力和时间。

此外，在相位差测量***中，需要对每个相位检测电路进行加线，而增加的电缆线本身带有绝对误差，这部分绝对误差最终会转移到我们所测得的相位差上。

因此，我们设计了相位检测电路的自校准方法，将数据采集和拟合曲线全部集成到程序中，采用最小二乘法求解出实际的相位响应特性曲线，使得可以随时将用于计算相位差的相位响应特性曲线调整到最佳。

本发明的自校准方法的主要思路是：改变两路输入信号的相位差关系，在相位响应特性曲线的线性区域获得12组输入信号频率以及对应集成鉴相器AD8302输出电压数据，采用最小二乘法进行线性拟合以获得集成鉴相器AD8302实际的相位响应特性曲线。

下面详细介绍本发明的自校准方法。

通过分析可知，图3中集成鉴相器AD8302测试电路的输出相位差包括以下几部分：

(1)待测两线缆相位差的理论值；

(2)图3测试电路引入与频率有关的误差；

(3)与引入频率无关的误差。

因此实际相位响应特性曲线可以表示为：

式(5)中：

U为集成鉴相器AD8302输出的电压；

为电压U对应的相位；

k₂f表示测量***引进的多种与频率相关的误差，具体包括：延迟线的绝对误差、两输入信号在电路板上的传输路径不相同引入的误差；

b为与信号频率无关的常数项。

k₁、k₂和b均为待定系数，可通过自校准确定。

从图2得知，相位响应特性曲线有左右两段，所以对应有两个方程式：

式(6)和式(7)分别表示左段相位响应特性曲线和右段相位响应特性曲线。U和f为已知量，k₁₁、k₂₁、b₁、k₁₂、k₂₂和b₂为未知量(可通过最小二乘法拟合算出，后面说明)。

Step 1

将两根校准用线缆(每根的相位已由高精度矢量网络分析仪测得，可认为是真实值)分别接入第1路输入信号端口和第2路输入信号端口。

Step 2

给校准用电缆的另一端接入同相位信号源，改变输入信号的频率，记录数据(f_i，U_i，)，其中，f_i为信号源的频率，U_i为集成鉴相器AD8302输出的电压，为校准用电缆在f_i频率下的相位差(已由高精度矢量网络分析仪测得)。

Step 3

从测试记录的数据中选取均匀分布在相位响应特性曲线的左边线性区域的6组数据，采用最小二乘法拟合计算出式(6)中的k₁₁、k₂₁和b₁。

Step 4

从测试记录的数据中选取均匀分布在相位响应特性曲线的右边线性区域的6组数据，采用最小二乘法拟合计算出式(7)中的k₁₂、k₂₂和b₂。

这样，我们得到了集成鉴相器AD8302的实际相位响应特性曲线表达式。

本发明的自校准方法具有如下优点：

(1)测量精度高

由于采用测量数据和合理全面的推理公式对相位响应特性曲线进行拟合，同时考虑了硬件***带来的所有误差类型，所以使得测量精度提高。

(2)工作量少

现有的测量方法对条件的变化很敏感，一旦输入信号变化大了，将做大量的实验测试，但是利用本发明的自校准方法可以将这些工作都简单化、自动化，人的工作量大大减少，人的作用被减弱，使用效率增加，大大节省了时间。

(3)电路设计难度降低

在电路设计时对两输入信号的走线的要求降低，不必要求两路输入信号的电路走线完全一样。

三、应用

本发明的基于集成鉴相器AD8302的相位检测电路，其已成功应用到频率为3MHz～30MHz范围内信号间相位差测量，测量范围为0°～360°，大部分测量结果误差在0.5°以内。

若要测量更宽频带信号的相位差，只需在硬件电路上进行部分改动，软件部分几乎可以完全复用。

若要测量多射频信号之间的相位差，只需要将硬件模块进行复制。

综上所述，本发明的基于集成鉴相器AD8302的相位检测电路，其扩展性好，复用效率高，测量精度高，自校准方法可靠实用。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于集成鉴相器AD8302的高精度相位检测电路，包括：集成鉴相器AD8302，所述集成鉴相器AD8302的输入端连接有两路信号输入通道，其特征在于，其中任意一路信号输入通道上安装有两个射频继电器，所述两个射频继电器可以进行加线和不加线两种状态的切换，加线和不加线两种状态下集成鉴相器AD8302的输出值至少有一个处于相位响应特性曲线的线性区域，加长电缆线的长度L通过以下公式计算得到：

$L=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\×v}{f\×2\mathrm{\π}}$

式中，v为信号在电缆线中的传播速度，f为信号在电缆线中的传播频率，Δφ是加长电缆线引入的相位差，Δφ的大小由集成鉴相器AD8302的相位响应特性曲线的非线性区的横轴宽度确定。

2.根据权利要求1所述的基于集成鉴相器AD8302的高精度相位检测电路，其特征在于，所述集成鉴相器AD8302的实际相位响应特性曲线为：

式中，U为集成鉴相器AD8302输出的电压，为电压U对应的相位，f为信号在电缆线中的传播频率，k₁、k₂和b为待定系数，通过自校准确定。

3.根据权利要求1或2所述的基于集成鉴相器AD8302的高精度相位检测电路，其特征在于，自校准方法包括以下步骤：

(1)将两根校准用线缆分别接入第1路输入信号端口和第2路输入信号端口；

(2)给校准用电缆的另一端接入同相位信号源，改变输入信号的频率，然后记录数据(f_i，U_i，)，其中，f_i为信号源的频率，U_i为集成鉴相器AD8302输出的电压，为校准用电缆在f_i频率下的相位差；

(3)从测试记录的数据中选取均匀分布在相位响应特性曲线的左边线性区域的6组数据，采用最小二乘法拟合计算出式(6)中的k₁₁、k₂₁和b₁，其中，式(6)的表达式如下：

(4)从测试记录的数据中选取均匀分布在相位响应特性曲线的右边线性区域的6组数据，采用最小二乘法拟合计算出式(7)中的k₁₂、k₂₂和b₂，其中，式(7)的表达式如下：