相位測量在工業自動化儀表、智能控制及通信電子等許多領域都有著廣泛的應用，對相位測量的要求也逐步向高精度、智能化方向發展。對于低頻相位測量，一般采用數字脈沖填充法對輸入信號的相位進行測量都能實現。但是，要想滿足一定的測量精度就要求微處理器的時鐘頻率足夠高。

同樣，運用此方法對高頻信號進行測量時，由于相位差相對較小，一般的微處理器時鐘頻率，已經無法滿足高精度的計數要求，這樣必然會影響相位測量的精度。所以，必須提高標準時鐘的計數頻率，才能滿足測量要求。這樣，一方面增加了設計本身的難度，另一方面也提高了選用元器件的要求。本系統首先采用頻率變換法將高頻輸入信號轉換成低頻信號后，且保持原信號的相位不發生變化，再利用基于ADuC7128為控制核心的數字測相系統進行測量，從而完成了寬頻帶輸入信號的相位測量。

1 差頻變換原理的引入

利用數學模型將被測信號和參考信號描寫成如下形式：

被測信號：

參考信號：

其中：A為被測信號的幅值；B為參考信號的幅值；f為被測信號的頻率；f0為參考信號的頻率；θ是被測信號的幅角。

同時，將兩個信號y1和y2送入混頻器內進行混頻操作相乘后，會得到信號y3。

再將y3送入低通濾波器進行濾波處理，濾除高頻信號，剩下的低頻信號數學表達式為：

y3與y1相比，幅度呈線性變化，幅角不變，但頻率降低，其頻率是被測信號與參考信號的頻率差。對于測量y3來說，比直接測量y1容易得多。這樣把差頻變換法應用到高頻信號的相位測量上，既可以提高相位測量的精度，又可以拓寬輸入信號的頻帶。

2 數字測相系統設計

2.1 硬件結構設計

如圖1所示，本系統主要由信號調理電路、頻率變換電路以及微處理器控制電路3部分組成。

圖1 硬件電路原理框圖

2.1.1 信號調理電路

信號調理電路要完成對輸入信號的耦合、衰減、放大、電平調整等功能，系統有良好性能的前端模擬通道是進行高精度測量所必須的［3］。本設計中的兩路信號調理通道CH1和CH2具有完全相同的對稱結構，且同時對輸入信號進行信號調理。

2.1.2 頻率變換電路

模擬乘法器是一種完成兩個模擬信號相乘的電子器件，由于乘法器與雙平衡混頻器相比具有更好的線性。因此，本設計選用了ADI公司的AD834芯片作為系統的混頻器使用，利用AD834將待測信號與ADuC7128內部DDS模塊產生的參考信號進行混頻后，再將差頻信號以單端電壓信號的方式輸出。

頻率變換電路如圖2所示，AD834的引腳X1和Y2均與地相連，將待測信號與參考信號分別以單端輸入的形式輸入到AD834的兩個信號端口Y1、X2。選擇Y1、X2 作為單端輸入引腳是因為這兩個引腳離輸出端比較遠，選擇它們作為輸入可以減小輸入信號到輸出端的耦合分量。根據設計需要，在AD834后面接入一個具有高開環增益的運算放大器OP-07，通過OP-7和R7、R6組成I /V轉換電路，這樣就可以將乘法器的輸出信號由雙端差分電流形式轉化為單端電壓形式。

圖2 頻率變換電路

2.1.3 微處理器控制電路

在進行頻率轉換時，需要一個頻率可調的信號源提供參考信號。以ARM7為內核開發的高性能微處理器ADuC7128內部集成了一個輸出頻率可達到25MHz的DDS模塊，信號的輸出電壓在1V左右。其技術指標滿足了作為參考信號的要求。同時，ADuC7128可通過內部PLL進行時鐘倍頻，最高工作頻率可達41.78MHz，工作電壓在圖3ADuC7128控制電路3.0～3.6 V 范圍內。ADuC7128微處理器自身結構緊湊、體積小，能夠有效提高系統的集成度和可靠性。ADuC7128微處理器的控制電路，如圖3所示。

圖3 ADuC7128控制電路