高精度幅相檢測系統的設計

李 星，許國宏，王耀磊

（中國電波傳播研究所 山東 青島 266107）

由于傳統的數字或模擬幅度相位檢測方法電路復雜，易受干擾測量精度低，而且適用的頻率范圍窄，只能測量中低頻信號，因此研究出一種電路簡單、測量精度高、測量頻帶寬的新型幅相檢測方法就具有很重要的意義。文中設計了一種基于AD8302的高精度幅相檢測系統，可精確測量兩個獨立的射頻、中頻或低頻信號的幅度相位差，測量精度高，可廣泛用于在信號變換、信息采集、控制以及通信等領域。

1 AD8302工作原理

AD8302是ADI公司推出的用于RF/IF幅度和相位測量的首款單片集成電路，它能同時測量從低頻到 2.7 GHz頻率范圍內兩輸入信號之間的幅度比和相位差。AD8302主要由精密匹配的兩個寬帶對數放大器、一個相位檢測器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器組成[1]，其功能結構框圖如圖1所示。AD8302之所以能進行幅度和相位差的精確測量主要是由于其內部的兩個寬帶對數放大器，每一個寬帶對數放大器都由 6個 10 dB增益級串聯而成，6個增益級都帶有7個輔助濾波器，這樣的結構使它具有的對數的壓縮功能，可以將寬頻帶的兩個輸入電壓變為窄帶的分貝刻度輸出，從而實現了對兩個輸入信號增益的測量。測量后的結果是將輸入信號的相位差變換為電壓輸出，范圍是0～1.8 V，幅度之比也變換為相應的電壓輸出[2]。

圖1 AD8302的功能結構框圖Fig.1 AD8302 unctional block diagram

AD8302通過精密匹配的2個寬帶對數放大器來實現對2個輸入通道信號的幅度和相位測量，其幅度和相位測量方程式為：

式中：VinA為A通道的輸入信號幅度；VinB為B通道的輸入信號幅度；Vslp為斜率；Vmag為幅度比較輸出；φ（VinB）為 A 通道的輸入信號相位；φ（VinB）為B通道的輸人信號相位；Vφ為斜率；Vphs為相位比較輸出[3]。

2 提高相位檢測精度的方法

AD8302作為幅度相位測量芯片也存在著不足，例如在相位檢測時只能輸出0°～－180°需要進行二值性判斷、相位檢測的非線性等。AD8302的這些缺點對相位檢測的精度影響尤為突出，以下給出幾種提高相位檢測精度的方法。

2.1 AD8302相位二值性判斷

AD8302相位差響應特性曲線如圖2所示，只有一路相位輸出信號時我們不能直觀判斷出待測信號與參考信號的相位差是在 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1.5 V時，無法判斷相位差[4]是A還是B。

圖2 AD8302相位差響應特性曲線圖Fig.2 Phase difference response curve of AD8302

為了準確地判斷出相位差的正負，我們用附加相移的參考信號再次與待測信號進行測量，例如將參考信號向左轉移90度，相位差則向右轉移90度，此時A與B將成為點A′與B′，這時就可以通過測量到的電壓值來判斷出相位差的正負，如果測量的電壓值是A′的電壓值那么待測信號與參考信號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相位檢測二值性判斷問題。

2.2 AD8302相位檢測非線性問題

許多相位檢測器在接近0或180度時都有很大的誤差存在非線性問題，AD8302也不例外，據數據手冊可知，當輸入信號在900 MHz時，AD8302在其整個 180°的測量范圍內能使相位測量精度線性保持在±1°以內的部分只有 143°，而在0°或180°附近最大誤差超過8°[1]。為了使整個測量范圍內測量精度基本一致，可采用了兩路相位差信號相互校準的方法進行測量。例如圖2中相位差A在0°或 180°附近時，移相相位差A′就會在 90°或 270°附近，輸出信號在測量的線性區域精度較高，因此，可采用輸出信號A′的測量結果作為測量結果。反之，當輸出信號A′的相位差在 0°或 180°附近時，輸出信號 A的相位差就會在 90°或 270°附近，此時，輸出信號A在測量的線性區域精度較高，因此，可采用輸出信號 A的測量結果作為測量結果。最后處理時只需要加上或減去移相器移相的相位即可[5]。

2.3 移相方法分析

信號移相的方法有很多，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，設在同軸電纜的始端接入相位為ω，經過長度L傳輸后，得到引入的相位滯后是Δφ=2πfL/c，顯然這是一個正比于頻率的量[6]。而無論是數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度的傳輸線構成，他們延遲精度主要依賴于延遲器件的穩定度及其本身延遲時間的漂移大小，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用在 0～100 MHz頻段。

DDS技術是一種把一系列數字量形式的信號通過DAC轉換成模擬量形式的信號合成技術。使用DDS進行移相有諸多優點，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到0.022度；其次，DDS輸出頻率相對帶寬很寬，輸出的最高頻率一般可達0.4fc，其中fc為DDS的系統時鐘；再次，DDS可編程、全數字化、相位輸出連續。為此，利用DDS輸出的參考信號在寬頻帶內相位可控、移相精度高誤差小、相位轉換速率快，充分地克服了以往移相器件的不足，這樣的參考信號在AD8302中分別與待測信號進行比較，測量出的相位差與幅度差精度高。

2.4 相位檢測系統校準

當把AD8302的輸出引腳VMAG和VPHS直接與芯片反饋設置輸入引腳MSET和PSET相連時，芯片的測量模式將工作在默認的斜率和中心點上，精確幅度測量比例系數為30 mV/dB，精確相位測量比例系數為10 mV/度[1]。根據實際測量可知，AD8302在不同頻率下幅相系數并不相同，為了提高檢測精度必須對其進行校準。校準的方法是把整個頻段分為若干個小頻段，利用專業儀器例如矢量網絡分析儀在頻段內對幅相差進行測量，根據測量值通過比對計算來確定精確的比例系數。

3 基于AD8302的相位檢測系統設計

幅相檢測系統的如圖3所示，DDS選用AD9959輸出參考信號，AD9959為四通道輸出數字頻率合成芯片，它輸出的4個通道信號都由一個相位累加器輸出，所以信號間相位差非常微小。待測信號分別輸入兩片AD8302并與參考信號進行比較，之所以用兩片AD8302是為了保證與待測信號比較時參考信號的相位連續性。AD8302輸出的相位差和幅度差進入AD數模轉換芯片，在單片機中運算成待測信號之間的幅度差和相位差。為了判斷相位差的二值性，DDS輸出相位轉移90后的參考信號再進行一次檢測。

圖3 幅相檢測系統框圖Fig.3 Magnitude and phase measuring block diagram

AD8302的輸入信號范圍為-60～0 dBm （50 Ω 系統），輸入必須經AC耦合，耦合電容根據輸入信號的頻率范圍合理設置。AD8302的電路圖如圖4所示，兩路射頻信號首先經電阻衰減網絡衰減16 dB，然后經電容耦合輸入到AD8302中，耦合電容選擇0.1 μF，輸出為0～1.8 V的幅相電壓信號，其中C7和C8分別構成幅度和相位輸出信號的低通濾波器。

4 結束語

圖4 AD8302電路連接圖Fig.4 Circuit diagram of AD8302

本文設計的基于AD8302的幅相檢測系統已經成功應用于某技改科研項目上，由于采取了若干提高檢測精度的措施，相位檢測精度可達到0.2°，幅度檢測精度可達到0.1 dB。實踐證明，利用AD8302進行幅度和相位檢測電路簡單、測量精度高、系統可靠性高、成本低，具有良好的應用前景。

[1]Analog Devices Inc.AD8302 LF-2.7 GHz RF/IFGain and phase detector[EB/OL].2002.http://www.analog.com.

[2]沙占友，劉阿芳.基于AD8302的單片寬頻帶相位差測量系統的設計[J].電子設計工程，2006（1）：57-60.SHA Zhan-you，LIU A-fang.Design of single-chip broad band phase bias measure system based on AD8302[J].Electronic Design Engineering，2006（1）：57-60.

[3]曹蘭娟.基于 AD8302芯片的新的幅相測量系統 [J].電子工程師，2007（3）：6-8.CAO Lan-juan.A new measuring system of phase and amplitude based on AD8302[J].Electronic Engineer，2006（1）：57-60.

[4]Wetterlin S.Use of phase shift to resolve sign ambiguity and improve accuracy in the AD8302 phase detector[J].Electronic Design Engineering， 2009，18（3）:13-17.

[5]韋進強，張濤，何子牛，等.基于AD8302的雙縱模雙頻激光干涉儀信號處理系統[J].中國測試，2009（5）：52-55.WEI Jin-qiang，ZHANG Tao，HE Zi-niu，et al.Signal processing system of dual-frequency laser interferometer with two longitudinal modes based on AD8302 [J].China Measurement&Test，2009（5）：52-55.

[6]何源.基于AD8302的X波段瞬時頻率測量系統設計 [J].電子測量技術，2011（2）：66-68.HE Yuan.Design and realization of IFM system based AD8302 in X-band[J].Electronic Measurement Technology，2011（2）：66-68.