FPGA实现的高精度鉴相器设计与应用

"基于FPGA的高精度鉴相器实现" 本文介绍了如何利用FPGA（Field-Programmable Gate Array）技术实现高精度鉴相器，该鉴相器主要用于实时检测MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）器件谐振时的微小相位变化。传统的模拟电路鉴相器虽然具有快速响应的特点，但在精度和优化方面存在局限性。而FPGA由于其可编程性和并行处理能力，成为实现高精度鉴相器的理想平台。 鉴相器的设计主要包括以下几个部分： 1. **数字混频器**：数字混频器将被测信号与一个同频、相位可调的参考信号混合。参考信号的初始相位设置为90度，以便在混频过程中生成差频信号。 2. **FIR（Finite Impulse Response）数字滤波器**：高阶FIR滤波器用于从混频后的信号中提取与相位变化相关的差频成分。这种滤波器能够提供良好的频率选择性和线性相位特性，从而提高鉴相精度。 3. **DDS（Direct Digital Synthesis）信号发生器**：DDS用于生成频率和相位可调的参考信号。DDS可以快速改变信号的频率和相位，适应不同应用场景的需求。 4. **模数转换电路**：模数转换器是将模拟信号转化为数字信号的关键部件，它确保了输入信号到鉴相器的准确转换。 鉴相过程的核心是通过调整参考信号的相位，使得与被测信号混频后得到的差频信号尽可能接近零。当差频信号为零时，参考信号的相位即对应于被测信号的相位，因此，参考信号的相位调节量就是被测信号的相位值。鉴相器的工作时钟频率为100MHz，能够实现高达0.0001度的鉴相精度。 此外，该鉴相器具有灵活的工作频率，适用于锁相环系统，并能与MEMS器件的驱动电路兼容。这在MEMS谐振器的相位检测和控制中尤为重要，因为这些设备通常需要高度精确的相位测量和反馈控制。 总结关键词：FPGA、FIR滤波器、鉴相器、DDS、MEMS。该研究属于电子技术领域，分类号为TN763.3，文献标识码为A，DOI为10.16157/j.issn.0258-7998.200377。 文章的中文引用格式为：董淑豪，吴东岷．基于FPGA的高精度鉴相器实现[J]．电子技术应用，2020，46(10)：57—60，78． 英文引用格式为：Dong Shuhao，Wu Dongmin．Realization of high precision phase detector based on FPGA[J]．Application of Electronic Technique，2020，46(10)：57—60，78． 这项工作展示了FPGA在高精度相位检测领域的应用潜力，为未来MEMS和其他精密电子系统中的相位测量提供了新的解决方案。