第33卷第2期湖南文理学院学报(自然科学版)Vol.33No.2 2021年6月Journal of Hunan University of Arts and Science(Science and Technology)Jun.2021 doi:10.3969/j.issn.1672–6146.2021.02.013喇叭网罩
一种简易数字移相器的设计
黄子君，王文虎，彭琛，聂超凡
(湖南文理学院计算机与电气工程学院，湖南常德,415000)
摘要：基于微处理器STM32F407的数字移相器，提出了一种数字可调的双路移相器。移相器由微处理器片内ADC采集输入信号，借助FFT算法，分辨输入信号的频率，为精确取出一周期输入信号的N点序列，调节ADC的采样频率刚好为输入信号的N倍，取出N点数据序列，运用片内定时器精确控制DAC输出的延时，从而控制移相度数,DAC循环输出N点信号序列，并经过低通滤波器，得到移相信号。为保证移相信号幅频无失真，引入反馈验证，采集输出的移相信号与输入信号进行频谱比对，若不一致，则重新移相，直至幅频一致。设计实现了输入信号0º～360º任意度数的移相，移相效果良好。 关键词：数字移相;FFT；微处理器；两路移相
中图分类号:TN623文献标志码:A
文章编号:1672–6146(2021)02–0063–05
Design of a simple digital phase shifter
Huang Zijun,Wang Wenhu,Peng Chen,Nie Chaofan
(College of Computer and Electrical Engineering,Hunan University Arts&Science,Changde415000,China)
Abstract:Based on the digital phase shifter of microprocessor STM32F407,a digital adjustable dual-channel phase shifter is proposed.The phase shifter collects the input signal by the on-chip ADC of the microprocessor,and uses the FFT algorithm to distinguish the frequency of the input signal.In order to accurately extract the N-point sequence of the input signal in a period,adjust the sampling frequency of the ADC to be exactly N times the input signal.The N-point data sequence uses the on-chip timer to precisely control the delay of the DAC output,thereby controlling the degree of phase shift.The DAC cyclically outputs the N-point signal sequence and passes through a low-pass filter to obtain the phase-shifted signal.In order to ensure that the amplitude and frequency of the phase-shifted signal is not distorted,feedback verification is introduced,and the collected and output phase-shifted signal is compared with the input signal.The design realizes the phase shift of the input signal by any degree from 0ºto360º,and the phase shift effect is good.
Key words:digital phase shift;FFT;MCU;two-way phase shift
移相器为微波信号调节处理电路中必不可少的器件，在雷达、通信和仪器仪表等领域有着广泛的应用。随着电子技术及信号处理技术的发展，对信号移相的高精度、多路输出等要求越来越高。早期模拟移相器大多基于矢量合成理论设计而成[1–3]，模拟移相器是利用模拟电路进行相位调节，但电路复杂，线性差，精度低，且难以实现0º～360º的相位调节。而数字移相器稳定性好，可靠性高以及随着对相位调节精度的要求越来越高，数字移相器发展迅速，具有高精度、灵活性好等优点[4]。如DDS数字移相器的设计、锁相环以及基于FPGA的数字移相设计[4–7]。但是，文献[4]、[5]中借助DDS设计数字移相器，移 通信作者：黄子君,*****************。收稿日期:2020–09–23
基金项目：湖南省大学生创新创业训练计划项目(湘教通〔2019〕219号)。
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相器限于对直接数字合成信号的移相，无法实现电路中任意周期信号的移相，文献[6]、[7]借助锁相环或FPGA 进行移相，需要搭建0°～90°移相电路、象限选择等外围电路，更无法实现多路移相输出。鉴于上述问题，本文基于STM32F407设计了一种数字移相器，结构简单，无需外接移相电路，由人机接
口配置移相度数，可对电路中的任意周期信号实现移相，实现了0º～360º的相位调节，可双路移相输出。
1硬件设计
硬件部分由STM32F407最小系统应用电路、人机接口、前置调理电路(跟随器)以及低通滤波电路等组成。其中,GPIO_A3为片内ADC1移相信号输入端口,GPIO_A6为ADC2反馈信号输入口,GPIO_A4、GPIO_A5分别为DAC1和DAC2，分别输出两路不同的移相信号。人机接口由4×4矩阵键盘(分为数字键和功能键)以及LCD 液晶屏构成，用于相位配置。LCD 液晶屏显示移相信息，数字移相电路如图1所示。
前置调节电路在信号输入端与ADC1输入端之间接入电压跟随器(前置调理电路)，起到阻抗变换的作用，即跟随器有输入阻抗大，输出阻抗小的特性，接入后与ADC1输入阻抗匹配，使得ADC1采集更为精确，从
而达到更好的效果。DAC 输出的移相信号为
离散信号，经过低通滤波器进行还原滤
波，无失真还原为光滑的连续信号。巴特沃斯低通滤波器，通频带内的频率响应曲线平坦，阻频带内
频率响应曲线逐渐下降[8–9]
，适合还原移相信号。借助Filter_solution 仿真配置低通滤波电路参数，设置如下：滤波器类型为巴特沃斯
滤波器，截止频率为10kHz 的3阶有源低通滤波，波特图显示频率范围为1Hz 至100kHz 以及增益为1。如图2所示，图2a 及图2b 分别为三阶巴特沃斯低通滤波仿真电路图及波特图。
系统以STM32F407为主控制芯片，片内有高精度的ADC(12位)、定时器，并有两路DAC(12位)，可实现双
DAC 输出。为保证对输入信号的无干扰采集，输入信号
u in 经过跟随器后，由片内ADC 采集，通过移相算法并借助片内两路DAC 实现双路移相信号输出。移相信号u o1、u o2的移相相位通过键盘分别设定，并通过两路DAC 同时输出。DAC 输出的移相信号为多点构成的离散信号，需经过低通滤波器进行填充滤波，将移相信号无失真恢复成连续信号，最终得到移相信号u o1、u o2。可单路输出或双路输
出。显示模块显示输入信号与移相信号的信号频率、幅值，以及移相信号的移相度数大小等信息。
图1数字移相电路(a)三阶巴特沃斯低通滤波仿真电路图V in F o =10.00kHz 10.00kΩR 1.110.00kΩ
R 1.510.00kΩR 1.25.645nF C 1.4
Q =1F o =10.00kHz V out
322.2pF
C 1.32.216nF C 1.6(b)波特图图2滤波仿真电路及波特图110
100100010000100000Frequency/Hz -60
-40-20
0M a g n i t u d e /d B
第2期黄子君，等：一种简易数字移相器的设计65
2数字移相算法
移相算法由三部分构成，测频、移相和验证，如图3所示。输入信号u in 经ADC 采集后，需对信号测频，为调节ADC 的采样频率为输入信号频率的N 倍(为精确取出一周期输入信号的N 点序列)。测频采用基4-FFT 算法，为能对更大频率范围的信号进行测频,ADC 以最大的采样频率1MHz 对输入信号u in
进行采样[10]，将采样得到的实数点转换为复数点，其实部为ADC 采集得到的数据，虚部设为0[11]。将复数序列装入FFT 算法输入序列，经快速傅里叶变换后，得到信号的频谱，从而得到输入信号的频率大小[10]。
N 点序列x (n )的离散傅立叶变换(DFT)公式为()X k =
10
[()()T ]DF N kn N n x n x n W -==∑。测频后，调节ADC 的采样频率为输入信号u in 的N 倍(采样一周期输入信号u in
刚好为N 个点)，并通过ADC 采集一周期输入信号u in 的N 点序列，而后进行移相。
输入信号u in 的频率大小为f ，采样频率为f s ，序列点数N =f s /f ；移相时，通过定时器控制序列输出延时时间，进行相位配置，使输入信号与输出信号存在相位差，即移相度数，再由DAC 循环输出N 点信号序列，即移相信号，移相范围0º至360º。
输入信号u in 一周期的数据装入移相数组，点数为N ，移相度数为β，移相输出延时t (t 最小为1/(84×106),84M 为微处理器最高时钟)，对应关系为β=360°/t ；确定移相度数后，即可确定移相延时t 的大小，由定时器延时t 后触发DAC 循环输出移相数组的数据，得到一路移相信号。需要输出第二路
移相信号时，重复上式得到第二路的移相输出延时t 后，由另一路DAC 输出相应的移相信号[12]。
为验证输出的移相信号有无失真，移相信号输出后，由另一路ADC 采集移相信号，并通过FFT 算法，得到频谱，与输入信号信号比较，以验证移相信号是否失真，若信号失真，则重新采集输入信号进行移相。
移相信号由DAC 输出，故为保证输出的移相信号可通过低通滤波器不失真恢复，须保证采集输入信号一周期的序列点数N 不能太小。由实验观察可得，当N 小于70点时,DAC 输出的离散移相信号，无法还原恢复，故N 须不小于70。当N 为70时,ADC 的采样频率应对应为输入信号频率的70倍。故而，限于微处理器片内ADC 的采样频率，采集信号的频率不能过高，当序列点数为70时,ADC 以最大的采样频率(1MHz)采集信号，则输入信号的频率应不大于14.285kHz(1MHz 除以70为14.285kHz)，即可移相信号的最大频率为14.258kHz 。
射击标靶
3软件设计
系统首先对ADC,DAC,LCD 以及按键进行初始化，由ADC 进行信号采集，并利用FFT [13]算法进行测频，测频后进入移相操作，最后由DAC 输出移相信号。此外，采集输出的移相信号进行频谱验证，确保输出信号正确，主程序流程如图4所示。
测频程序流程图如图5所示,ADC1由定时器触发开始采集信号，由DMA 传输数据。ADC1每隔一个时段以最大采样速率(1M/s)采样信号,
扫把头
开始
ADC1采集
定时器延时
结束图5
测频程序流程图调节采样频率
FFT
ADC1采集DAC 输
移相度数配置结束
开始
图6
移相程序流程图
开始
初始化
结束
图4
主程序流程图
移相
测频
Y N
验证通过？
FFT
移相
FFT ADC
ADC
图3移相算法框图
u in u out
测频
验证
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2021年
并将采样的数据通过FFT 运算以测量输入信号频率，根据输入信号的频率调节ADC1的采样频率为输入信号的N 倍。测频后进入移相，移相程序流程图如图5所示，由ADC1提取一个周期信号的数据序列，将得到的一周期的数据序列，按移相度数配置移相定时器，定时器延时触发控制DAC 输出，即定
时器分别控制DAC1、DAC2的输出延时，从而得到相应移相度数的移相输出信号，可选择单路移相输出或双路移相输出。为保持原信号的频率、幅值等特性DAC 输出速率与ADC 采用速率一致。为输出连续的周期信号,DAC 循环输出N 个点的数据序列(即一周期的信号)。
移相信号输出后，为保证输出的移相信号除相位外幅频与输入信号一致、无失真，则利用ADC2(采样频率1M/s)采集低通滤波器输出的移相信号作为反馈信号，进行FFT 运算，得到频谱，并与输入信号的频谱进行对比验证，若输出信号出现了幅频失真，与输入信号幅频不匹配，则重新执行测频移相程序进行移相。
4实验结果
狭基线纹香茶菜
当输入信号为10kHz 的正弦波时，实验现象如图7所示。其中图a 波形1为原信号输入，波形2为进行移相设置移相270º时DAC1输出的信号，波形3为进行相位设置移相180º时DAC2输出的波形；同样图b 三路信号分别为原信号输入波形1，原信号经过移相设置，输出移相91º信号为波形2，移相设置360º信号为波形3。图7(a)、(b)三路波形幅值均为2V 且当前频率为10kHz，移相效果良好。
实现了周期信号的数字移相，由按键配置输出两路不同的移相输出信号，移相范围0º到360º，最小步进由定时器控制，可达0.001º。受片内ADC 采样频率影响，采样的范围小，只能对频率在14.285kHz 以内的信号进行移相处理，更高频率的信
图7
移相信号波形
3
2
1
(b)移相91°与移相360°(a)移相270°与180°
12
3
第2期黄子君，等：一种简易数字移相器的设计67号无法进行移相。若要对更高频信号移相，则需要采用频率更高的外部专用高速ADC、DAC芯片，以及采用时钟频率更高的处理器作为移相系统的主控芯片，使采样范围提高，从而对信号进行更大频率范围的移相，提升移相器的性能指标，并采用多三路及以上的DAC输出，得到多路不同的移相输出。
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(责任编校：刘刚毅)
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