摘要：為了提高幅相檢測(cè)精度、簡(jiǎn)化電路、擴(kuò)展頻率范圍，設(shè)計(jì)了一種基于AD8302高精度幅度相位檢測(cè)系統(tǒng)。通過分析AD8302的特點(diǎn)以及工作原理，提出了幾種提高相位檢測(cè)精度的方法，并設(shè)計(jì)采用AD8302、DDS和單片機(jī)組成高精度幅相檢測(cè)系統(tǒng)，成功地解決了AD8302相位檢測(cè)過程中存在的二值性、非線性、移相以及校準(zhǔn)問題，實(shí)現(xiàn)兩路模擬輸入信號(hào)的相位差和幅度差的精確測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明基于AD8302的幅相檢測(cè)系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：AD8302；幅相檢測(cè)；相位差；DDS；移相

    由于傳統(tǒng)的數(shù)字或模擬幅度相位檢測(cè)方法電路復(fù)雜，易受干擾測(cè)量精度低，而且適用的頻率范圍窄，只能測(cè)量中低頻信號(hào)，因此研究出一種電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、測(cè)量頻帶寬的新型幅相檢測(cè)方法就具有很重要的意義。文中設(shè)計(jì)了一種基于AD8302的高精度幅相檢測(cè)系統(tǒng)，可精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)獨(dú)立的射頻、中頻或低頻信號(hào)的幅度相位差，測(cè)量精度高，可廣泛用于在信號(hào)變換、信息采集、控制以及通信等領(lǐng)域。

1 AD8302工作原理
    AD8302是ADI公司推出的用于RF／IF幅度和相位測(cè)量的首款單片集成電路，它能同時(shí)測(cè)量從低頻到2．7 GHz頻率范圍內(nèi)兩輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差。AD8302主要由精密匹配的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器、一個(gè)相位檢測(cè)器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器組成，其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。AD8302之所以能進(jìn)行幅度和相位差的精確測(cè)量主要是由于其內(nèi)部的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器，每一個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器都由6個(gè)10 dB增益級(jí)串聯(lián)而成，6個(gè)增益級(jí)都帶有7個(gè)輔助濾波器，這樣的結(jié)構(gòu)使它具有的對(duì)數(shù)的壓縮功能，可以將寬頻帶的兩個(gè)輸入電壓變?yōu)檎瓗У姆重惪潭容敵觯瑥亩鴮?shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)增益的測(cè)量。測(cè)量后的結(jié)果是將輸入信號(hào)的相位差變換為電壓輸出，范圍是0～1．8V，幅度之比也變換為相應(yīng)的電壓輸出。

    AD8302通過精密匹配的2個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器來實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)輸入通道信號(hào)的幅度和相位測(cè)量，其幅度和相位測(cè)量方程式為：
   
    式中：VinA為A通道的輸入信號(hào)幅度；VinB為B通道的輸入信號(hào)幅度；Vslp為斜率；Vmag為幅度比較輸出；φ(VinA)為A通道的輸入信號(hào)相位；φ(VinB)為B通道的輸入信號(hào)相位；Vφ為斜率；Vphs為相位比較輸出。

2 提高相位檢測(cè)精度的方法
    AD8302作為幅度相位測(cè)量芯片也存在著不足，例如在相位檢測(cè)時(shí)只能輸出0°～-180°需要進(jìn)行二值性判斷、相位檢測(cè)的非線性等。AD8 302的這些缺點(diǎn)對(duì)相位檢測(cè)的精度影響尤為突出，以下給出幾種提高相位檢測(cè)精度的方法。
2．1 AD8302相位二值性判斷
    AD8302相位差響應(yīng)特性曲線如圖2所示，只有一路相位輸出信號(hào)時(shí)我們不能直觀判斷出待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差是在0°～-180°還是在0°～+180°之間，存在著相位二值性判斷問題，即圖中所示輸出電平為1．5V時(shí)，無法判斷相位差是A還是B。

    為了準(zhǔn)確地判斷出相位差的正負(fù)，我們用附加相移的參考信號(hào)再次與待測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，例如將參考信號(hào)向左轉(zhuǎn)移90度，相位差則向右轉(zhuǎn)移90度，此時(shí)A與B將成為點(diǎn)A’與B’，這時(shí)就可以通過測(cè)量到的電壓值來判斷出相位差的正負(fù)，如果測(cè)量的電壓值是A’的電壓值那么待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差就可判斷為A。利用移相的方法可以很好地解決AD8302相位檢測(cè)二值性判斷問題。
2．2 AD8302相位檢測(cè)非線性問題
    許多相位檢測(cè)器在接近0或180度時(shí)都有很大的誤差存在非線性問題，AD8302也不例外，據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，當(dāng)輸入信號(hào)在900 MHz時(shí)，AD8 302在其整個(gè)180°的測(cè)量范圍內(nèi)能使相位測(cè)量精度線性保持在±1°以內(nèi)的部分只有143°，而在0°或180°附近最大誤差超過8°。為了使整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量精度基本一致，可采用了兩路相位差信號(hào)相互校準(zhǔn)的方法進(jìn)行測(cè)量。例如圖2中相位差A(yù)在0°或180°附近時(shí)，移相相位差A(yù)’就會(huì)在90°或270°附近，輸出信號(hào)在測(cè)量的線性區(qū)域精度較高，因此，可采用輸出信號(hào)A’的測(cè)量結(jié)果作為測(cè)量結(jié)果。反之，當(dāng)輸出信號(hào)A’的相位差在0°或180°附近時(shí)，輸出信號(hào)A的相位差就會(huì)在90°或270°附近，此時(shí)，輸出信號(hào)A在測(cè)量的線性區(qū)域精度較高，因此，可采用輸出信號(hào)A的測(cè)量結(jié)果作為測(cè)量結(jié)果。最后處理時(shí)只需要加上或減去移相器移相的相位即可。
2．3 移相方法分析
    信號(hào)移相的方法有很多，比如延遲線、移相器以及濾波器等。延遲線在一般的處理過程中可視為無耗傳輸線，設(shè)在同軸電纜的始端接入相位為ω，經(jīng)過長(zhǎng)度L傳輸后，得到引入的相位滯后是△φ=2πfL／c，顯然這是一個(gè)正比于頻率的量。而無論是數(shù)字移相器還是模擬移相器大多也是利用延遲單元或不同電長(zhǎng)度的傳輸線構(gòu)成，他們延遲精度主要依賴于延遲器件的穩(wěn)定度及其本身延遲時(shí)間的漂移大小，而且工作頻帶大多是窄頻帶。顯然，延遲線或移相器都不適合應(yīng)用在0～100MHz頻段。
    DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)合成技術(shù)。使用DDS進(jìn)行移相有諸多優(yōu)點(diǎn)，首先，DDS相位分辨率高，含有14位相位寄存器的DDS相位最小分辨率可達(dá)到0．022度；其次，DDS輸出頻率相對(duì)帶寬很寬，輸出的最高頻率一般可達(dá)0．4fc，其中fc為DDS的系統(tǒng)時(shí)鐘；再次，DDS可編程、全數(shù)字化、相位輸出連續(xù)。為此，利用DDS輸出的參考信號(hào)在寬頻帶內(nèi)相位可控、移相精度高誤差小、相位轉(zhuǎn)換速率快，充分地克服了以往移相器件的不足，這樣的參考信號(hào)在AD8302中分別與待測(cè)信號(hào)進(jìn)行比較，測(cè)量出的相位差與幅度差精度高。
2．4 相位檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)
    當(dāng)把AD8302的輸出引腳VMAG和VPHS直接與芯片反饋設(shè)置輸入引腳MSET和PSET相連時(shí)，芯片的測(cè)量模式將工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上，精確幅度測(cè)量比例系數(shù)為30 mV／dB，精確相位測(cè)量比例系數(shù)為10 mV／度。根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知，AD8302在不同頻率下幅相系數(shù)并不相同，為了提高檢測(cè)精度必須對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的方法是把整個(gè)頻段分為若干個(gè)小頻段，利用專業(yè)儀器例如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在頻段內(nèi)對(duì)幅相差進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量值通過比對(duì)計(jì)算來確定精確的比例系數(shù)。

3 基于AD8302的相位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    幅相檢測(cè)系統(tǒng)的如圖3所示，DDS選用AD9959輸出參考信號(hào)，AD9959為四通道輸出數(shù)字頻率合成芯片，它輸出的4個(gè)通道信號(hào)都由一個(gè)相位累加器輸出，所以信號(hào)間相位差非常微小。待測(cè)信號(hào)分別輸入兩片AD8302并與參考信號(hào)進(jìn)行比較，之所以用兩片AD8302是為了保證與待測(cè)信號(hào)比較時(shí)參考信號(hào)的相位連續(xù)性。AD8302輸出的相位差和幅度差進(jìn)入AD數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，在單片機(jī)中運(yùn)算成待測(cè)信號(hào)之間的幅度差和相位差。為了判斷相位差的二值性，DDS輸出相位轉(zhuǎn)移90后的參考信號(hào)再進(jìn)行一次檢測(cè)。

    AD8302的輸入信號(hào)范圍為-60～0 dBm(50 Ω系統(tǒng))，輸入必須經(jīng)AC耦合，耦合電容根據(jù)輸入信號(hào)的頻率范圍合理設(shè)置。AD8302的電路圖如圖4所示，兩路射頻信號(hào)首先經(jīng)電阻衰減網(wǎng)絡(luò)衰減16 dB，然后經(jīng)電容耦合輸入到AD8302中，耦合電容選擇0．1μF，輸出為0～1．8 V的幅相電壓信號(hào)，其中C7和C8分別構(gòu)成幅度和相位輸出信號(hào)的低通濾波器。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)的基于AD8302的幅相檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某技改科研項(xiàng)目上，由于采取了若干提高檢測(cè)精度的措施，相位檢測(cè)精度可達(dá)到0．2°，幅度檢測(cè)精度可達(dá)到0．1 dB。實(shí)踐證明，利用AD8302進(jìn)行幅度和相位檢測(cè)電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、系統(tǒng)可靠性高、成本低，具有良好的應(yīng)用前景。