（电路与系统专业论文）高精度相位差检测系统设计.pdf

摘要 论文来源于基于磁感应相位移谱( p s s m i ) 技术检测脑水肿项目，研究了数字电 路测相位差技术，对相位移谱进行检测，具有广泛的应用价值和发展前景。 不同频率的激励信号作用于脑组织后产生相位移谱，并且相位移谱的大小与 脑组织含水量相关，论文根据以上原理给出基于d f t 法测相位差的设计方案。激 励信号与参考信号通过滤波器后在a d c 中完成模数转换。以d s p 为处理核心的 硬件电路实现相位差检测，并将相位差曲线绘制到l c d 。文中分析相位差检测的 基本原理，并对电路的相关参数进行计算和仿真，设计硬件电路，编写系统软件， 实现了相位差的高精度检测。 测试表明系统具有运行稳定、检测精度高等特点，达到要求的功能和指标。 系统已成功应用于脑水肿检测。 关键字：脑水肿相位差d f td s p a b s t r a c t a b s t r a c t p a p e r sc o m ef r o mt h ep r o j e c to fh y d r o c e p h a l u sd e t e c t i o nb a s e do np h a s es h i t t s p e c t r o s c o p yo fm a g n e t i ci n d u c t i o n ( p s s m i ) t h et e c h n o l o g yo fd i g i t a lc i r c u i tt e s t i n g p h a s ed i f f e r e n c ei sa p p l i e dt ot h ep h a s es h i f ts p e c t r u m t h e r ei saw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n sa n dp r o s p e c t s e x c i t a t i o ns i g n a lo fd i f f e r e n tf r e q u e n c i e yi sa p p l i e dt ob r a i nt i s s u er e s u l t i n gp h a s e s h i f ts p e c t r u m , a n dt h ep h a s es h i f ts p e c t r u mi sa s s o c i a t e dw i t ht h ew a t e rc o n t e n to ft h e t i s s u e a c c o r d i n gt ot h ea b o v ep r i n c i p l e ，t h ed e s i g no f p h a s ed i f f e r e n c ed e t e c t i o nb a s e d o nd f ti sg i v e ni nt h ep a p e r e x c i t a t i o na n dr e f e r e n c es i g n a li sp a s s e dt h r o u g ht h e f i l t e ra n di sc o n v e r t e dt od i g i t a ls i g n a lb ya d c t h ed s ph a r d w a r ed e t e c t sp h a s e d i f f e r e n c ea n dt h ep h a s ec u r v ei sd r a w no nt h el c d t h i sp a p e ra n a l y z e st h eb a s i c p r i n c i p l eo fp h a s ed i f f e r e n c ed e t e c t i o n , c a l c u l a t e sa n ds i m u l a t st h ep a r a m e t e r so ft h e c i r c u i t ，d e s i g n sh a r d w a r ec i r c u i t s ，w r i t e ss o f t w a r e ，a n da c h i e v e sh i g h - p r e c i s i o np h a s e d i f f e r e n c ed e t e c t i o n t h i ss y s t e ms u c c e s s f u l l yr e a c h e sa l lt h ed e s i r e df u n c t i o n sa n di n d i c a t o r s a f t e r t e s t 啦，i th a sb e e na p p l i e dt ot h ep r o j e c to f t h eh y d r o c e p h a l u sd e t e c t i o n k e y w o r d s ：p h a s ed i f f e r e n c e d s pf p g a 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 课题来源于基于磁感应相位移谱技术检测脑水肿项目，磁感应相位移谱 u 1 ( p h a s es h i t ts p e c t r o s c o p yo fm a g n e t i ci n d u c t i o n ，p s s m i ) 技术是根据生物组织和细 胞的介电特性具有频率依赖性，采用一定频率范围的激励磁场作用于生物组织， 由于电磁感应的作用，使激励磁场与感应磁场之间产生相位移谱，该相位移谱又 与生物组织的生理病理状态和组织含水量相关，可以反映早期脑水肿、脑水肿的 程度和脑水肿的类型的相位移特征，获得更为丰富的脑水肿生理病理信息。 从1 9 2 3 年神经外科术后重症监护( i n t e n s i v ec a r eu n i t ，i c u ) 在美国开展以来，随 着生命科学和工程技术的发展，促进了各种监护技术和设备的涌现，然而，对于 临床神经外科经常出现的脑水肿症状的监护，缺少具有早期检测、无创伤和非接 触连续监护的技术，极大地限制治疗水平的进一步提高。 脑电图( e e g ) 、颅多普勒( t c d ) 、脑阻抗( i c g ) 等技术可以对脑水肿进行监护， 但存在接触式测量、安装电极多、不能早期和定量检测、及创伤性等问题需要解 决，因此，发展一种具有早期检测、无创伤和非接触连续监护的技术，弥补现有 检查手段的不足，对于及时确定病情指导治疗、降低各类脑疾病死亡率是十分必 要的。并且在事故急救现场，军事冲突现场，车、船和飞机等救护装备上以及边 远的乡镇医院，不可能装备大型、先进的成像设备进行脑损伤的检查，也不可能 给出详细和精确的诊断。而是需要小型的检查和监护仪器，及时发现脑水肿的发 生，确定脑损伤是否存在，提示急诊医生采取急救措施控制病情的恶化，迅速转 运到大型医院。因此，发展一种小型的脑水肿监护技术，对于急救现场的救治十 分必要。 针对现有脑水肿检查手段的不足和临床脑疾病诊疗与急救现场脑创伤救治的 需要，基于生物组织与细胞的介电特性、脑水肿的病理学机制和电磁感应原理， 提出检测和监护脑水肿的p s s m i 技术研究。脑水肿模拟检测系统如图1 1 所示， 包括激励源，脑水肿物理模型，高精度相位差检测仪三部分。激励源输出一路激 励电流信号激励线圈产生磁场，当磁场通过脑水肿物理模型后产生感应磁场，这 两个磁场经检测线圈产生感应电压信号。相位差检测仪测量感应电压信号和参考 信号的相位差，此相位差反映了脑水肿模拟溶液的信息。可见本文所设计的高精 度相位差检测系统是脑水肿检测中最为重要的一个环节，对于推进p s s m i 技术的 发展具有重要意义。 2 高精度相位差检测系统设计 图1 1 脑水肿模拟检测系统 1 2 国内外研究现状 目前相位测量技术及理论已趋于完善，测量方法及理论也较成熟，相位测量 仪器已系列化和商品化，在军用和民用领域有着广泛的应用，如：航空航天、军 事、机械制造、电力和电气自动化、移动通信、生物医学、地质勘探、海底资源 探测等领域。相位差测量技术的发展可分为两个方向【2 】：第一是采用数字专用电路、 微处理器等来构成测试系统，使测量精度得以大大提高；第二是采用计算机及智 能化测量技术，从而大大简化设计程序，增强功能，使得相应的产品精度更高、 功能更全。同时，各种新的算法、测量手段和新的设计方法及器件也随之出现。 随着集成电路和软件技术的不断发展和解决复杂问题能力的不断提高，d s p ( 数字信号处理器) 和f p g a ( 现场可编程门阵列) 技术的出现和发展使得相位差 测量系统结构清晰，流程简洁，性能和精度得以不断的提高，功能越来越强大。 目前国内外均采用的相位测量的方法有：采用d s p 微处理器专用数字处理芯片， 利用傅立叶变换等方法来计算相位差，可大大提高测量精度；采用f p g a 可编程 门阵列专用数字电路来提高相位检测的运算速度、精度以及工作频率范围。 在民用上，我国的相位测量技术与国外仍有较大的差距，主要体现在产品种 类较少，配套产品少；产品测试功能单一；仪器精度、数字化和自动化程度不高。 只有不断的学习国外先进技术和自我创新，采用新技术和新方法，才能使相位的 测量技术从性能、功能和精度上得到不断地提高，逐步减小与国外的差距【3 】。 1 3 论文的工作和内容 论文为基于磁感应相位移谱技术检测脑水肿这课题设计了高精度相位差检 第一章绪论 测系统。磁感应法测量脑水肿的难点在于生物组织的电导率非常小，通常在0 0 2 2s m 的范围i 内1 4 1 ，生物组织受到磁场激励后产生的涡流磁场信号非常微弱，所以 该磁场引起的检测信号的相位变化也非常微小，这对相位差测量提出了较高的要 求。因此相位差检测系统对1 m h z 、1 0 7 m h z 和2 1 4 m h z 三个频点分别进行了相 位差检测，并使检测精度在0 0 0 5 。之内，可以满足脑水肿检测的需求。 文中根据脑水肿检测的需求设计了检测系统的方案，首先模拟信号经滤波器 进行预滤波，提高信号的信噪比，然后经a d c 转换成数字信号。在d s p 和f p g a 为处理核心的数字电路中完成相位差的检测。进行软硬件调试后，最后完成的系 统通过测试可以应用于脑水肿检测项目。 围绕论文，主要做了以下几个方面的工作： l 、完成系统的方案设计，硬件原理图和p c b 设计。 2 、 将p c b 投板，完成硬件电路板的调试。 3 、编写底层驱动程序，包括f p g a 的逻辑设计，d s p 控制程序。 4 、根据相位差检测算法完成d s p 的数字信号处理程序。 5 、 搭建测试平台，对相位差检测精度指标进行测试。 6 、 配合协作单位完成相位差检测系统的联调及计量工作。 论文的章节安排如下： 第一章介绍了论文的研究背景和意义以及高精度相位差检测的研究现状。 第二章介绍了相位差检测系统的信号处理流程，提出设计方案。 第三章介绍了相位差检测系统的硬件电路设计与实现。 第四章介绍了相位差检测系统的软件设计，包括f p g a 逻辑设计，d s p 程序 设计。 第五章介绍了相位差检测系统的调试与整机测试。 最后总结了研究的工作，指出现有系统需要完善的地方，并提出改进方法。 4 高精度相位差检测系统设计 第二章相位差检测系统原理 第二章相位差检测系统原理 目前检测相位差策略可分为硬件法和软件法两大类。硬件法通过模拟器件将 两个信号的相位差信息转换为时间差信息，在处理器中将得到的时间差变换为相 位差，由于受到物理器件的限制，这种方法测得的相位差精度不高，不能满足系 统要求。本论文设计的高精度相位差检测系统采用软件数字信号处理算法，通过 数字专用集成电路和微控制器组成测试系统，将模拟信号通过模数转换器转换成 数字信号，然后在处理器中采用数字信号处理算法计算出相位差，这样得到相位 差的精度高，可以满足脑水肿检测需求。 2 1 相位差检测原理 d 协刚“淄f x 1 ( k ) 阚= 叫粼) 滤波器 。i l ( n ) = s 1 ( n ) + n 1 n ) n 伽。1 “h 。尘i j l h 纂卜七丑喝 相位差检测算法害位差 引糊。髫v 乒 啦：m 止巡 夕 蕉蘧墨心螋) 啦( d x 2 ( k ) 。l ，枷 啦卅譬l j l h 纂卜 图2 1 相位差检测原理图 相位差检测系统处理流程如图2 1 。系统输入信号有1 m h z 、1 0 7 m h z 和 2 1 4 m h z 三个点频信号，由于输入信号的信噪比对相位检测的精度有较大的影响， 所以在数据采集前需要对输入信号进行预滤波。根据输入信号的频率，如果是 i m h z 让输入信号通过一个低通滤波器，如果是1 0 7 m h z 和2 1 4 m h z 让其分别通 过各自频点的带通滤波器，从而提高输入信号的信噪比。由a d c 对两路信号进行 同步采集，将外部模拟信号转换为数字信号，对于输入i m h z 的信号采用低通采 样的方法，输入1 0 7 m h z 和2 1 4 m h z 的信号属于窄带信号，所以可以采用带通采 样的方法对数据进行采集。然后对该频率点用d f t 算法求出该频率点的频谱信息， 用反正切函数计算出每一路的相位信息，将两路信号的相位相减便得到相位差数 据，对所得到的数据进行存储并实时显示。 2 1 1 相位差定义 正弦信号是频率成分最为单一的一种信号，在工程上也称为点频信号，一个 6 高精度相位差检测系统设计 正弦信号可以表示为 颤力= 么s 醢缸+ 访( 2 一1 ) 式中彳为振幅，c o 为角频率，9 为初始相位，相位( c o t + 9 ) 是反映交流电某一时刻 的状态的物理量。对于两个同频率的信号，其相位差a i r 可以通过初始相位的差反 映出来 缈= 仍一仍 ( 2 - 2 ) 式中鲲和仍是两路同频信号各自的初始相位，在实际工程中是以开始采样的那一 时刻作为信号的初始相位。 2 1 2a d c 采样 采用数字信号算法计算相位差的前提是要得到采样量化后的数字信号，当对 某一时间连续信号进行采样时，如何确定采样频率，才能由这些采样值准确表示 原始信号，不至于产生信号的混叠和失真，成为人们首要关心的问题。 采样定理【9 】论述了在一定的条件下，一个连续时间信号f ( t ) 完全可以用该信号 在等时间间隔上的采样值表示。这些样本值包含了连续时间信号的全部信息，利 用这些样本值可以恢复原信号。如果信号f ( t ) 的频带是有限的，也就是说，信号 厂( f ) 的频谱只在区间( _ ，) 为有限值，而在此区间之外为零的信号为带限信号。 ，t f j 厂 ， 一l f j 、 一 岛i 口 1 1ff f ft l q 气例 f 1l1 一 jt 。j m ：删一 图2 2 采样定理 如图2 2 ，采样脉冲序列嚷q ) 可表示为 屯( f ) = , 5 ( t - m r ) 其频谱函数 兀屯( f ) 】= q 文彩一n c a , ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 第二章相位差检测系统原理7 采样信号 ，( ，) = ( ，) 蛀o ) = 厂( 朋d 万( f 一所乃( 2 5 ) 其频谱函数 e ( 俐= 去，( 归) q 万( 彩一刀q ) = 軎f 【，( 国一胍鸭) 】 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 表明采样信号z 的频谱是原模拟信号的频谱以采样角频率q 为周 期，进行周期延拓而成。由采样信号的频谱可以看出，如果q 弛，那么各相邻 频移后的频谱不会发生互相重叠，可以用低通滤波器从采样信号中不失真地提取 原模拟信号。以上的采样理论即奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样定理，即如果以不低于信号 最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样，那么所得到的离散采样值就能准 确的确定原信号。 奈奎斯特采样定理只讨论了其频谱分布在( 0 ，厶) 上的基带信号的采样问题， 如果信号的频率分布在某一有限的频带魄，厶) 上，最高频率厶远远大于信号带 宽b 时，根据奈奎斯特采样定理，其采样频率z 2 厶会很高，以至于很难实现， 或者后处理的速度也满足不了要求，由此产生了带通采样定理【1 0 1 。i 带通采样定理和奈奎斯特采样定理除了模拟信号的频谱所在位置不同，其采 样理论是相同的，也就是采样信号z ( f ) 的频谱是原模拟信号的频谱以采样角频率 q 为周期，进行周期延拓而成。因此为了不发生频谱混叠，采样频率z 应大于等 于两倍的信号带宽，其选取公式为 z = 掣 ( 2 - 7 ) 式中，n 取能满足z 2 ( 名一无) 的最大正整数，则用z 进行等间隔采样得到 的信号采样值八丹d 能准确的确定原始信号o ) 。 对于低频率的信号可以直接用满足奈奎斯特采样定理的采样信号对模拟信号 进行采集即可，即采样信号的频率是输入信号的最高频率的两倍以上。但是随着 频率的提高，由于受到硬件的限制，高速的、大动态、多位数a d c 很难实现，并 且提高了硬件的设计难度和设计成本，所以不能靠无限制的提高a d c 的采样速率 来对高频率信号进行采样，因此对于高频率信号采用图2 3 的采样机制进行模数转 换。 图2 3 直接带通采样机制 8 高精度相位差检测系统设计 直接带通采样机制是建立在带通信号采样理论之上，基本上是直接用a d c 对 输入模拟信号进行采样，如果输入的是窄带信号，a d c 的采样频率z 并不需要很 高即可完成对高频率信号的采样。可见这种采样机制电路设计简单，并且信号处 理均可以通过d s p 软件中实现。 2 1 3 相位差检测算法 相位差检测算法可以采用d f t 计算出两路信号的相位，然后作差得到两路信 号的相位差，该算法具有抗干扰性强，准确度高的优点。d f t 法测相位差的详细 分析是合作者的工作，在此直接引用其结论，不进行过多讨论。 离散傅立叶变换( d f t ) 变换公式【6 】为 x ( k ) = d f l l x ( n ) = x ( 朋玄，k = 0 ，l ，1 ，n - i ( 2 8 ) 式中旋转因子= p 叫可，n 为d f t 变换区间长度通常等于采样数据长度。在输 入信号频率为f ，采样频率石和七的关系为 七：掣( 2 - 9 ) 因此根据不同的输入信号的频率便可以计算出对应的义，相位信息缈可以 从该点的实部和虚部得到，其计算公式为 9 = a r c 伽( 铡裂 相位差计算公式为 妒( 仍训等 ( 2 - 1 1 ) 第二章相位差检测系统原理 9 2 2 系统设计方案 图2 4 系统设计原理框图 系统设计的原理框图如图2 4 所示，输入信号包括参考信号和测量信号，两路 信号源自同一正弦信号源，一路信号直接做参考，一路信号是测量脑水肿后输出 的信号。由于输入信号的信噪比对相位差检测的精度有较大的影响，首先让两路 输入信号根据不同的工作频率分别通过相应的滤波器从而尽可能提高信号的信噪 比。为了提高系统输入信号的动态范围，采用可编程增益运放调节输入信号的增 益，使其尽量接近a d c 采集的满幅输入。信号采集电路应该选择双通道同步采集 a d c 进行模数转换，以此减小采样延迟造成的相位误差。 为保证两路信号的同步处理，由f p g a 统一为整个系统提供同步时钟，既为 a d c 提供采样时钟又为d s p 提供数据传输时钟。为了实现同步采样和非同步采样 两种模式，可以选择是用外部时钟还是晶振作为时钟源，然后在f p g a 的内部分 别用p l l 来产生准确的采样时钟。由于d s p 的数据传输速率较小，所以采样速率 不能设的很高，对于i m h z 的信号可以采用低通采样的方法，对于1 0 7 m h z 和 2 1 4 m h z 采用带通采样的方法对数据进行采集，即用f p g a 产生低频率的采样时 钟送给a d c ，采集到的数据可以同步传输到d s p 中。 为了求出高精度的相位差，需要存储大量的信号数据，d s p 接收到的数据可 以通过d m a 将数据存储到外部的s d r a m 中，处理时将数据从s d r a m 中读出， 进行d f t 处理得到相位信息。d s p 计算得到的两路正弦信号的相位差信息可以通 过外部l c d 实时显示，并绘制1 2 小时的相位差曲线，1 2 小时的相位差数据可以 存储到d s p 内部的r a m 或外部f l a s h 中，并且可以通过r s 2 3 2 将数据输出到 个人计算机。 l o高精度相位差检测系统设计 2 2 1f p g a 技术 f p g a 即现场可编程逻辑阵列( f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是在可编程阵列 逻辑( p a l ) 、通用可编程阵列逻辑( g a l ) 、复杂的可编程阵列逻辑器件( c p l d ) 等可 编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一 种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门 电路数有限的缺点。 f p g a 的开发流程就是利用e d a 开发软件和编程工具对f p g a 芯片进行开发 的过程。典型f p g a 的开发流程一般如图2 5 所示，包括功能定义器件选型、设 计输入、功能仿真、综合优化、综合后仿真、实现、布线后仿真、板级仿真以及 芯片编程与调试等主要步骤。 图2 5f p g a 的开发流程 1 器件选型是在f p g a 设计项目开始之前，必须有系统功能的定义和模块的 划分，另外就是要根据任务要求，如系统的功能和复杂度，对工作速度和器件本 身的资源、成本、以及连线的可布性等方面进行权衡，选择合适的设计方案和合 适的器件类型。 2 设计输入是将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来， 并输入给e d a 工具的过程。常用的方法有硬件描述语言( h d l ) 和原理图输入方法 等。 3 功能仿真也称为前仿真是在编译之前对用户所设计的电路进行逻辑功能 第二章相位差检测系统原理 验证，此时的仿真没有延迟信息，仅对初步的功能进行检测。 4 综合优化根据目标与要求优化所生成的逻辑连接，使层次设计平面化，供 f p g a 布局布线软件进行实现。 5 综合后仿真检查综合结果是否和原设计一致。在仿真时，把综合生成的标 准延时文件反标注到综合仿真模型中去，可估计门延时带来的影响。 6 布局布线可理解为利用实现工具把逻辑映射到目标器件结构的资源中，决 定逻辑的最佳布局，选择逻辑与输入输出功能链接的布线通道进行连线，并产生 相应文件，实现则是将综合生成的逻辑网表配置到具体的f p g a 芯片上。 7 时序仿真，也称为后仿真，是指将布局布线的延时信息反标注到设计网表 中来检测有无时序违规现象。 8 板级仿真主要应用于高速电路设计中，对高速系统的信号完整性、电磁干 扰等特征进行分析，一般都以第三方工具进行仿真和验证。 9 芯片编程是指产生使用的数据文件，然后将编程数据下载到f p g a 芯片中。 2 2 2d s p 技术 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称为d s p ) 是针对数字信号处理 而设计的一种可编程的控制器，主要用于实时快速地实现各种数字信号处理算法。 d s p 芯片的内部采用程序存储空间和数据存储空间分离的哈佛结构，具有专门的 硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的数字信号处理指令，可以用来快 速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的技术要求，d s p 芯片- 二般 具有如下一些主要特征： 1 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 2 程序空间和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 3 片内的快速r a m ，通常可以通过独立的数据总线在两块芯片中同时访问。 4 具有低开销或零开销的循环和跳转的硬件支持。 5 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 6 可以并行执行多个操作。 7 支持流水线操作，取指令、译码、访问和执行等操作可以流水重叠执行。 8 快速的中断处理和硬件i o 支持。 d s p 的一般开发流程如图2 6 所示。 1 2 高精度相位差检测系统设计 图2 6 d s p 开发流程 1 在进行d s p 系统实质设计之前，首先要分析d s p 系统的需求，明确设计 任务。主要包括实时性、稳定性、算法的复杂度、数据量、成本、精度等要求 2 确定系统技术性能指标在设计d s p 系统之前，首先根据系统的目标要求确 定系统的技术性能指标、信号处理的要求。 3 确定核心算法及性能模拟验证。为了实现系统的最终目标，需要对输入的 信号进行适当的处理，而不同的处理方法将会导致不同的系统性能，因此这一步 必须确定最佳的处理方法，以便得到最佳的系统性能。 4 选择d s p 芯片及其他外围组件，d s p 是处理系统的核心，选择d s p 芯片 是其中非常重要的一个环节。只有选定了d s p 片才能进一步设计其外围电路及系 统的其他电路。 5 软硬件设计，当选定d s p 芯片及其外围组件以后，就可以对d s p 系统进 行设计了。一般而言，d s p 系统的设计可以分为软件设计和硬件设计两部分。 6 当系统进入联调阶段，在软件平台上，d s p 系统通过仿真器和计算机通信， 从而实现软件调试的各种方法，如断点设置、观察寄存器、单步执行等；在硬件 平台上，可以借助示波器或者逻辑分析仪等工具对系统的信号进行测量和分析。 7 系统集成测试和生产d s p 系统在可以独立运行以后，还应该继续进行一系 列的测试，以使之满足工业化生产的需求。在确定d s p 系统可以稳定地运行以后， 才可以投入生产。 第三章相位差检测系统的硬件设计1 3 第三章相位差检测系统的硬件设计 3 1 硬件电路总体架构 相位差检测系统主要由预滤波电路，增益调理电路，a d c 采集电路，f p g a 逻辑接口电路和主控制器d s p 电路等组成。 图3 1 硬件设计框图 硬件设计框图如图3 1 。两路输入信号首先根据不同的工作频率分别通过带通 滤波器或低通滤波器进行预滤波，从而提高输入信号的信噪比。滤波器的选用应 该是通带范围尽量接近信号带宽，并且相频特性接近线性关系。根据信号工作频 率i m h z 、1 0 7 m h z 和2 1 4 m h z ，最终选用m i n i - c i r c u i t s 公司的低通滤波器s c l f - - 4 7 和带通滤波器p b p 1 0 7 和p b p - 2 1 4 。通过d s p 控制功率驱动器6 8 5 9 5 控制继电 器的开关可以对各个滤波器进行选择，其中继电器选用信号用继电器g 6 k - 2 f 5 v 。 预滤波后的信号经过数字可编程增益放大器( v g a ) 将信号调理到a d c 的输入 范围内，然后由a d c 对两路输入信号进行同步采集，送往f p g a ，在f p g a 内部 通过和d s p 的接口逻辑直接将采样送给d s p 。其中数字可编程增益放大器选用a d 公司的a d 8 3 6 9 ，提供4 线并行或3 线串行控制，3 d b 带宽为6 0 0 m h z ，增益范围 为4 5 d b 可以极大的提高输入信号的动态范围。a d c 选用美国模拟器件公司( a d i ) 的a d 7 3 5 6 ，该a d c 具有1 2 位的分辨率和双通道同步采集的特点，最大吞吐率为 5 m s p s ，采样速率可调，模拟输入带宽可到1 1 0 m h z ，输入电压范围可达2 5 v p p ， 可以很好满足系统要求。 f p g a 选用a l t e r a 的e p l c 6 t 1 4 4 芯片，主要用于和d s p 及其他外设的接口设 计；主处理器采用a d i 的a d s p b f 5 3 2 ，主要功能是对采集的数据进行相关算法 1 4 高精度相位差检测系统设计 得到相位差；数据存储器s d r a m 可以选择3 2 m 1 6 b i t 的m t 4 8 l c 3 2 m 1 6 a 2 t g ； f l a s h 主要存储d s p 程序和需要保存的数据，选用5 1 2 kx1 6 一b i t 的 a m 2 9 l v 8 0 0 d ；l c d 选用天马公司的5 寸8 0 0 4 8 0 的宽屏t f t 液晶显示屏 t m 0 5 0 r d h 0 1 j 1 0 a 稳压电路用于为硬件电路上的各个i c 供电，外部的5 v 直流电通过稳压芯片 l m l l l 7 分别为各个芯片提供不同的工作电压。 3 2 预滤波电路 预滤波电路的一个通道的电路如图3 2 所示，另一个通道电路基本相同。由继 电器和集成滤波器组成，通过软件控制继电器的开启或闭合实现对不同工作频率 的预滤波。信号通过s m a 接口输入，s m a 并接一个5 0 欧电阻，作为输入阻抗。 最左面的继电器用于选择是进行自校准还是进行相位差测量，自校准时参考信号 被继电器分成两路同频同相的信号从而可以对硬件电路进行相位差校准，进行相 位差测量时，两路信号分别经过各自通道进行预滤波。图中每个滤波器对应一个 继电器，用于选择是通过滤波器还是将滤波器旁路，继电器的控制端应接续流二 极管用于抑止继电器的线圈产生反相电动势对元器件进行保护。 1 4 三一 曩o i 4 r h a f 曩。 ， 。掣霉曼鼍。 心i 盯上兰一目土矿一南亓i 。 ：| = i 工口 1 七亡 划 协。裂 忑 他 忑 7 岛一l|h一 甘 上旦 j li g 立。 亿。 c 四 k 1 了i f q h 一 1 l h 一q h i - 一 3 2 1 无源滤波器 图3 2 预滤波电路 为了提高输入信号的信噪比，在a d c 前端对信号进行预滤波，系统对滤波器 的主要指标要求包括通带范围、截止频率、插入损耗和群延迟等参数。对于不同 的工作频率i m h z 、1 0 7 m h z 或2 1 4 m h z ，滤波器分别选用m i i l i c i r c u i t s 公司的 s c l f - 4 7 【1 n 、p b p 1 0 7 t 1 2 1 和p b p 2 1 4 0 3 】。s c l f - 4 7 是5 0 t ) 的通带范围为d c 到 4 7 m h z 的低通滤波器，其3 d b 截止频率为5 6 m h z ，其频率响应和插入损耗如图 3 3 所示。p b p 1 0 7 和p b p 2 1 4 分别为中心频率为1 0 7 m h z 和2 1 4 m h z ，带宽分 别为2 m h z 和4 m h z 的带通滤波器，两种滤波器均是一个5 0 q 的椭圆带通滤波器， 其频率响应和插入损耗分别如图3 4 和图3 5 所示。 第三章相位差检测系统的硬件设计 8 c if 7 低通频辜响应 7 瓶刁 衰减 d b ) 图3 3s c l f - 4 7 频率响应和插入损耗 7 、 、 f 0 b f 1 1 0 0 衰减 ( ) 8 0 6 0 4 0 2 0 c b f ，- 、 1r j ， 频率西m z ) 频率0 溉z ) 图3 5p b p - 21 4 频率响应和插入损耗 滤波器在通带范围内信号的插入损耗应当尽量小，阻带信号的插入损耗应尽 量大，才能尽可能地提高信号的信噪比。滤波器的群延迟参数对相位差的精度有 很大的影响，即群延迟不能在工作的频点附近变化太大，否则会影响相位差测量 的精度。对应不同的工作频率的滤波器的插入损耗和群延迟如表3 1 。 表3 i 滤波器的插入损耗和群延迟 滤波器 频率( m h z )插入损耗( d b )群延迟( n s e c ) s c l f - 4 7 0 9 0 ， 1 1 4 9 6 1 o o0 1 11 1 5 0 4 o m n z ) 1 1 01 1 5 4 9 p b p 1 0 7 1 0 6 1 4 0 8 0 3 1 0 70 8 6 、 ( m h z ) l o 9 1 3 8 5 5 9 p b p 2 1 4 2 1 38 0 9 3 7 2 1 40 8 6、 ( m n z ) 2 1 6、7 8 7 2 l 柏 o ：| | 1 6 高精度相位差检测系统设计 3 2 2 继电器 继电器选用o m r o n 公司的g 6 k - 2 p 5 v d c e l 4 高频继电器，该继电器采用最小 级别的封装面积与高度并且动作快、工作稳定、使用寿命长。g 6 k - 2 p 外形尺寸 ( 删岫：5 x 6 5 x1 0 m m ( h x w x l ) ，线圈额定工作电压：5 v d c ，线圈额定工作电 流：2 1 1 m a ，线圈电阻：2 3 7 f 1 ，额定通过电流：i a ，阻抗：1 0 0 m q ，操作时间： 3 m s ，电气寿命：1 0 0 ，0 0 0 次( 1 ，8 0 0 次d , 时) ，机械寿命：5 0 ，0 0 0 ，0 0 0 次( 3 6 ，0 0 0 0 v d , 时) 。其插入损耗如图3 6 。 插入0 损耗0 1 ( d b ) 0 2 o 3 o 4 0 5 3 2 3继电器驱动器 g 6 k 2 p 高频特性 ( 插入损耗)( 平均值) 、 、 、 继哇l 器尝目： 1 0 频率( m n z ) 图3 6g 6 k - 2 p 插入损耗 继电器驱动器选用芯片6 8 5 9 5 t 15 1 ，它是一款8 位串行并出的d m o s 功率驱动 器，可以用于驱动继电器，可以用来驱动像继电器这种高电压中电流的外部功率 负载。d m o s 开漏极输出最高输出电流可高达5 0 0 m a 。其功能模块图如图3 7 所 示。 o 叶oo 忻_ 图3 76 8 5 9 5 功能模块图 一 一 ：l l 第三章相位差检测系统的硬件设计 3 3 增益调理电路 增益调理电路如图3 8 ，主要由a d i 的数字控制可变增益放大器a d 8 3 6 9 构成， 输入信号通过一个阻抗比为l ：4 的变压器a d t 4 6 t 由单端信号转换为差分信号输 入给a d 8 3 6 9 ，通过软件控制a d 8 3 6 9 的并行数字接口来调节输入信号的增益，其 调节范围为1 0 d b , - - , + 3 5 d b 。 a d 8 3 6 9 也可以用于单端输入，图中左端虚线框中的三个电阻用于不使用变压 器的情况，实际中使用变压器，所以这三个电阻不焊接。差分信号通过一个0 1 u f 的隔直电容输入到运放的差分输入端，运放输出端并一个2 0 0 f l 负载，可以将增益 调节范围设置在1 0 d b , - , + 3 5 d b 。图中右端虚线框中的两个电阻用于调节输出共模点 在1 2 5 v 左右，用于为后面的a d c 采集电路提供最大的输入范围，两个电阻值需 要根据实际情况来设置，最终将两个电阻值定为2 6 k q 。 图3 8 增益调理电路 3 3 1 数字控制可变增益放大器 数字控制可变增益放大器a d 8 3 6 9 t 1 6 1 在r l = 2 0 0 f l 时提供以3 d b 为步进1 0 d b 至l j + 3 5 d b 的增益控制。差分2 0 0 1 】输入输出阻抗，通带范围3 8 0 m h z 生2 0 m h z ，提 供4 线并行或3 线串行控制，在最小增益时的最大线形输入为2 2 v ，电源v 。供电 范围3 0 v 5 5 v 。其功能模块图和增益带宽如图3 9 所示。 1 8 高精度相位差检测系统设计 1 0l 频率( m h z ) 图3 9 a d 8 3 6 9 功能模块图( 左) 和增益带宽( 右) a d 8 3 6 9 是由一个7 阶的r - 2 r 梯形网络和固定增益差分放大器组成。输出级 是一个互补的电流源对。内部1 0 0 f 2 电阻负载到地，提供2 0 0 q 差分输出阻抗。 a d 8 3 6 9 的低频增益可以通过式( 3 1 ) 估算出来。 等一o6200+ri_l(南j(3-1t 2 0 0 ， + 吃八2 ( 1 5 1 j 7 足，是外部负载电阻( 单位q ) ，n 是增益代码；0 是最小增益代码1 5 是最大增益代 码。外部负载与内部2 0 0 f 2 输出阻抗并联共同影响整个增益和峰值输出摆动。 a d 8 3 6 9 为差分输入输出提供内部直流偏置点，输入偏置在v d 2 0 7 来满足隔 离和输入约束余量，输出偏置在v d 2 来提供最大输出摆幅。因此信号可以在输入 端通过一对电容或变压器与a d 8 3 6 9 交流耦合，输出可以直接接到共模点兼容的 a d c 。 输入输出阻抗相当于一个高通滤波器，通过选择一个外部交流耦合电容来最 小化低频的信号衰减。例如用o 1 u f 的电容，每个驱动l o o f l 输入节点( 2 0 0 q 差 分) ，3 d b 高通拐角频率为： 芴蒜。1 6 彪 ( 3 - 2 ) a d 8 3 6 9 用偏置控制环来消除输入偏置。如果不去校正，将会减小输出电压摆 动。正常高通截止频率被设置在5 2 0 k h z a ：2 0 。通过加上f i l t 的外部电容，并上 内部的3 0 p f 电容，来减小这个输入频频率。例如：并o 1 u f ，来减小高通截止频 率按3 0 1 0 0 ，0 3 0 ，为1 5 6 h z 。通常这个频率应选择最低感兴趣的频率的1 1 0 。 a d 8 3 6 9 可以串行或并行控制，s e n b 为低选并行模式，s e n b 为高选并行模 式。内部有两个控制寄存器：增益控制寄存器和移位寄存器，增益控制寄存器锁 存数据来设置运放增益，移位寄存器来接收串行数据流。通过位b i t 0 3 可以控制 其增益，增益代码如表3 2 所示。 靳 柏 ：；： 加 加 0 m 加 第三章相位差检测系统的硬件设计 1 9 表3 2 电压增益与增益代码 增益 增益( d b ) 增益( d b ) 代码 b i t 3 b i t 2b i t lb i t o r l = 1l c f 2r l = 2 0 0 q o000o- 51 0 l0o0l27 20ol0l4 30oll4- l 40l0072 50l0l1 05 60ll01 38 70lll1 6l l 8l0001 91 4 9l00l2 21 7 1 0l0lo2 52 0 l l l0ll2 82 3 1 2ll0o3 l2 6 1 31 l0l3 42 9 1 4ll1o3 73 2 1 5llll4 03 5 3 3 2 射频变压器 在运放前端用于阻抗匹配和平衡运放的射频变压器选用a d t 4 6 t 1 7 1 ，信号带 宽为0 0 6 - - - 3 0 0 m h z ，其输入阻抗为5 0 q ，阻抗比为l ：4 ，其原理图和插入损耗如图 3 1 0 所示，输入信号经变压器后变为差分信号输出到a d 8 3 6 9 ，输出阻抗为2 0 0 2 ， 而a d 8 3 6 9 的输入阻抗为2 0 0 q ，可以很好的进行阻抗匹配。 鎏巨5 ad r 轴刚蟊入损耗 ， _ ， 一一 ，。 ，一 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 频率( m h z ) 图3 1 0a d t 4 6 t 原理图和插入损耗 3 4a d c 采集电路 a d c 采集电路如图3 1 1 所示，a d c 芯片选用a d i 的a d 7 3 5 6 ，两路信号经运 “ 眈 入耗酌舭赫池 高精度相位差检测系统设计 放调理后变成两路差分信号直接输入到a d c 采集端，其输入端串联的一对3 3 q 电 阻用于减小a d c 采样对信号的影响。a d c 采集的数字信号通过串行接口输出给 f p g a ，通过f p g a 的内部逻辑传输给d s p 。 瑚3 3 图3 1 la d c 采集电路 a d 7 3 5 6 b r u z 1 8 】是一款1 2 位、5 m s p s 双通道高速同步采样a d 转换器，它 能够处理输入频率高达1 1 0 m h z 的信号；其转化时间由s c l k 频率决定，可以方 便的控制其采样率，s c l k 最高频率可达8 0 m h z ；输入范围：2 5 v p - p ( 差分) ，采 用2 5 v 模拟电源，3 3 v 数字电源供电，内部集成2 0 4 8 v 的参考电压；高速的串 行接口( s p i ) ：s p i q s p i d s p 兼容。其功能模块图如图3 1 2 所示。 v t 也v d | y m d h i 雌f a 睢f l v - g d a g n or e f g n d 图3 1 2a d 7 3 5 6 功能模块图 a d 8 3 6 9 包含两个片上差分跟踪保持运放，两个逐次逼近a d c ，和一个带两 个独立数据输出引脚的串行接口。串行数据用于从器件获取转换数据的同时为逐 次逼近a d c 提供时钟源。虽然该器件最高采样率为5 m s p s ，但其0 1 d b 带宽为 7 7 m h z ，所以该器件可以用于带通采样。 第三章相位差检测系统的硬件设计 3 5f p g a 电路 f p g a 选用a l t e r a 的e p l c 6 t 1 4 4 1 9 1 芯片，该芯片属于a l t e r a 公司的c y c l o n e ( 飓风) 系列，c y c l o n e 是a l t e