《电子技术应用》

基于FPGA的可消除高频非线性的动态分频鉴相器

2017年电子技术应用第12期 作者:杨三三1,贾豫东1,张晓青1,杨 博2
2017/12/25 10:16:00

杨三三1,贾豫东1,张晓青1,杨  博2

(1.北京信息科技大学 光电测试技术北京市重点实验室,北京100192;

2.国防科学技术大学 电子科学与工程学院,湖南 长沙410073)


    摘  要: 提出了一种可消除高频非线性的动态分频鉴相器的结构和实现方法,输入信号经波形变换后,利用FPGA进行分频,并通过8位拨码开关来设置1~255不同的分频系数,分频后通过数字鉴相器、低通滤波器和调理放大电路实现鉴相。这种设计不仅大大提高了鉴相范围和灵敏度,而且消除了高频非线性化现象。实验表明,该数字鉴相器输入频率范围200 kHz~100 MHz,鉴相范围-510 π~+510 π,线性度优于±1.5%,同时具有根据不同应用需求进行动态分频的特点。

    关键词: 高速比较器;FPGA;分频;高线性度;鉴相电路

    中图分类号: TN763.3

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172015


    中文引用格式: 杨三三,贾豫东,张晓青,等. 基于FPGA的可消除高频非线性的动态分频鉴相器[J].电子技术应用,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.

0 引言

    鉴相技术是电力电子系统和测试控制中的关键技术之一,在仪器仪表、通信、导航定位、研究网络相频特性和锁相环等测试中,经常需要测量两列同频信号的相位差。相较于模拟鉴相器,数字鉴相器的突出优点在于提供的鉴相范围更宽,从而使鉴相更可靠,适用范围也更广。

    传统的鉴相方法主要有基于异或门的测量法和直线近似法等[1-3],这些鉴相方法鉴相范围窄、输入频率低、线性度差,往往存在较大误差。近年来,常用的数字鉴相方法有相关分析法、频谱分析法等[4-6],其优点在于反应快和精度高,但算法相对复杂,鉴相范围窄,输入频率也相对不高。AD9901在数字鉴相方面运用的相对较多,但鉴相范围窄,同时在高频时会出现非线性化现象[7]。本文设计了一种基于FPGA的数字鉴相器,既能消除高频非线性,又能实现动态分频和宽范围鉴相。

1 系统原理与组成

    数字鉴相器AD9901可实现线性相位检测范围,但是在高频下AD9901会出现较为明显的非线性化现象。这种非线性鉴相区的产生,是由于在线性检测范围两端,参考信号和待测输入信号相位接近,数字鉴相器输出脉宽变得很窄和鉴相器摆速增大,从而导致相位增益迅速向鉴频区(即最高和最低值处)拉近,而出现非线性化现象。其线性鉴相区间d为[8]

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    由式(1)~式(3)可知,频率越高,线性鉴相区间越窄。在高频段通过FPGA分频把频率降低,可展宽线性区间,即可解决高频非线性问题,同时鉴相范围也大大提高。输入信号和参考信号经过数字鉴相器系统后,即可得到不同相位差所对应的直流电压。数字鉴相器系统原理框图如图1所示。

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2 数字鉴相器设计

2.1 波形变换

    本设计采用了超高速比较器AD8611,它的传输延迟只有4 ns,极大地减小了正弦波变换为方波的时间误差,其波形变换电路如图2所示。

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2.2 FPGA分频

    通过FPGA进行可编程分频设计,可以灵活改变分频系数,分频系数大且输入频率满足设计需求。通过8位拨码开关来设置分频系数,分频系数在1~255范围内变化,其FPGA分频流程图如图3所示。

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    本FPGA分频设计可以实现任意整数分频,其分频原理如下:(1)偶数分频:设计一个模N/2计数器,对输入信号进行下降沿触发计数,当计数值为N/2-1时输出信号翻转;(2)奇数分频:采用两个计数器分别对输入信号进行上升沿和下降沿模N触发计数,且各自控制产生一个N分频的电平信号。一个计数器进行上升沿计数,当计数值为(N+1)/2时输出信号翻转,再当计数器清零时,再次翻转就可得到一个占空比非50%的N分频信号。同时另外一个计数器进行下降沿相同操作,得到另外一个N分频信号。这两个占空比非50%的N分频信号进行相或运算,即可得到占空比为50%的N分频信号。

    使用ModelSim对FPGA分频进行功能仿真,设定输入信号频率为10 MHz,20分频后频率为500 kHz;25分频后频率为400 kHz,分别如图4(a)、图4(b)所示。

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2.3 数字鉴相

    AD9901能够直接比较最高200 MHz的相位或频率输入信号。当输入信号同频率时,就工作在鉴相模式下,其数字鉴相电路如图5所示。输出占空比θ在-2π~0范围内随相位差ck2-t4-x1.gif线性增加,其输出占空比θ为:

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2.4 低通滤波

    为了得到AD9901输出的直流电平均值,需采用低通滤波器来消除噪声和信号的交流分量。同时为了减小和抑制50 Hz工频干扰的影响,设计了一个四阶无源RLC巴特沃斯低通滤波器[9],其电路如图6所示。

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    通过Multisim软件对巴特沃斯低通滤波器的滤波性能进行仿真分析,其幅频特性曲线如图7所示。从图中可以看出,其截止频率大约为41 Hz,达到设计要求。

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2.5 调理放大

    为了调节AD9901输出经低通滤波后的直流电平的均值范围,采用由三级运算放大器OP07构成的信号调理放大电路,如图8所示。第一级运放构成电压跟随器,对前后级电路起到隔离和缓冲作用;第二级运放构成反向加法器,起到调节零点的作用,最后一级运放构成反向比例放大器,以达到调节相位差变化时输出电压的变化幅度,并满足后续相关电路处理要求。

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3 测试结果与分析

    测试过程中,由信号发生器产生两路同频同幅、不同相位差的正弦信号,其频率为500 kHz,相位差为180°和270°情况下,用示波器观察到AD9901的输出波形,如图9(a)、图9(b)所示。

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    由式(4)可知,在ck2-t4-x1.gif=-180°时,AD9901理论上输出占空比为50%。在ck2-t4-x1.gif=-270°时,AD9901理论上输出占空比为75%(AD9901有正相和倒相输出),实测结果与理论值符合。

    为了测试电路在0°~360°相位差范围内线性情况,设置信号发生器输出频率为10 MHz,然后固定一路相位为0°,另一路相位每6°递增至360°。未分频和20分频情况下,输出电压随相位差变化曲线如图10所示。由式(1)知:未分频情况下,线性区间d=347.04°;20分频情况下,线性区间d=359.35°。由测试数据可知,在0°~6°和354°~360°范围内出现一定程度上的非线性。

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    其线性度:

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其中,ΔYmax为校准曲线与拟合直线间的最大偏差,Y为满量程输出。由式(7)可知,未分频情况下,线性度δ=-7.22%。FPGA进行20分频,其线性度δ=-1.11%。由此可知,通过分频,线性区间变宽,非线性得到明显改善,几乎无非线性化现象。

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其中,Vo是鉴相器在不同相位差下的输出电压;Vo1是相位差为0°时,经AD9901和低通滤波后得到的直流输出电压;Vbias是通过调节电位器W1得到的电压;Au是放大倍数,是通过调节电位器W2得到的。 

4 结论

    本文针对传统鉴相器鉴相范围窄、输入频率低、线性度不高等问题,提出了一种基于FPGA动态分频和AD9901数字鉴相的方法。本设计鉴相范围宽,输入频率高,能够动态分频,解决了高频非线性化的问题,为后续电路进行处理提供了方便。该鉴相器适用于高频宽范围相位差测量中,在工程中具有一定的参考和实用价值。

参考文献

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