頻率信號產生電路在FPGA中頻率控制模塊的控制下，產生高精度正弦主振信號和本振信號，分別用于光調制和混頻。此電路產生的信號要求頻率可調，且具有高的頻率穩(wěn)定性和低的相位噪聲，相位抖動小，以保證最終的測量精度。

　　在本系統(tǒng)中，我們基于直接數字頻率合成(DDS)技術進行信號產生。DDS的實現，使用芯片AD9951。AD9951是一個可控的頻率合成芯片，具有32位頻率轉換字，最大合成頻率為160MHz。系統(tǒng)中采用兩塊AD9951，分別產生主振信號和本振信號。FPGA通過該芯片的控制端口，對其產生的信號頻率進行控制。其控制時序如圖4所示。

?

　　AD9951產生的頻率信號具有一定的雜散，系統(tǒng)中使用七階橢圓低通濾波器進行濾波，然后使用運算放大器AD8007進行信號放大。電路框圖如圖5所示。該電路產生的50MHz的正弦信號如圖6所示。

?

　　2.2.3 混頻鑒相電路

　　由于測量信號頻率較高，直接對其進行鑒相難以達到良好的鑒相精度，因而在系統(tǒng)中采用混頻的方法進行差頻鑒相。在差頻鑒相中，參考信號和測量信號同時與本振信號進行混頻，濾除混頻后高頻分量，得到混頻后低頻參考信號和混頻后低頻測量信號?；祛l降低了信號頻率，但保持相位差不變，便于鑒相操作。相位差的檢測使用自動數字鑒相法。其原理如圖7所示。參考信號和測量信號通過過零比較，得到參考方波信號和測量方波信號。比較兩方波信號，得到兩者之間的相位差信號，然后使用高頻計數脈沖對相位差信號，然后使用高頻計數脈沖對相位差信號進行計數。設參考信號和測量信號的周期為f，高頻計數脈沖的頻率為fc，一個周期內的計數值為M，則相位差為：φ=2πMf /fc。為了減小偶然誤差，提高鑒相精度，可以對多個周期計數求平均。設N個周期的計數值為M"，則φ=2πM"f/Nfc。

?

　　混頻電路的實現基于混頻器AD831。使用兩片AD831，分別用于參考信號與本振信號混頻及測量信號與本振信號混頻?；祛l后使用芯片MAX274進行帶通濾波，得到混頻后的低頻正弦信號。然后通過基于MAX912的過零比較電路將正弦信號轉換為同相位差的方波信號，輸入到FPGA中進行鑒相。在FPGA中，利用多周期自動數字鑒相法，對相位差進行檢測。其實現框圖如圖8所示。

?

　　3 測量結果

　　在實際測量中，利用組合測尺頻率先后進行兩次測量。第一次取主振信號頻率為52MHz，本振信號頻率為51.99MHz;第二次取主振信號頻率為51MHz，本振信號頻率為50.99MHz。對應于混頻后信號頻率為10kHz。FPGA中鑒相高速計數脈沖頻率為50MHz。基于以上參數，對多段光纖進行測量。兩次測量的結果進行分析比較，可得到測量值。被測光纖的實際光程已由精密反射儀通過光學方法進行標定。測量結果如表1所示。

?

　　由以上測量結果可以看到，在一定的量程范圍內，基于相位法的測量系統(tǒng)，對光纖光程的測量誤差絕對值小于2mm。

　　4 結論

　　本文在FPGA、直接數字頻率合成(DDS)、自動數字鑒相等技術的基礎上，設計并實現了基于相位法的電路測量系統(tǒng)。實際測量結果表明，此測量系統(tǒng)在一定的量程范圍內，對光纖光程的測量誤差絕對值小于2mm。在此測量水平下，此測量系統(tǒng)可用于基于光纖的激光測距校正與檢定中，對其中的光纖基線進行測量和標定，這為光電測距儀和全站儀的室內檢定提供了一個可行的方案和參考。

　　本文所論述的相位法測量的電路實現是一個初步方案，在電路設計、系統(tǒng)優(yōu)化和誤差分析等方面還需要做進一步的改進，以提高系統(tǒng)性能。