3.2.3 相位检测器工作原理

相位检测器的功能主要是将输入的测试信号与参考信号二者之间的相位差转换成与之相关的直流信号，以便用模/数转换器将其数字化后供微处理器计算测试信号在探头上传播的时间。这里测试信号与参考信号为同频率的正弦电压信号，它们的相位不一样。

相位检测的方法有很多种，一般可分为数字检测方法和模拟检测方法两大类。数字检测方法的基本思路是用高速模/数转换器将待检测信号数字化，然后在数字信号处理器（DSP）或微处理器中使用相关计算或过零检测等方法计算两个待测信号的相位差。数字检测方法的缺点是其适用的信号频率有限，因为根据采样定理要求模/数转换采样的频率至少为待测信号频率的2倍，为了得到足够的相位测量精度就要求采样频率比待测信号频率高很多。这对于P-TDR系统中使用的400MHz的测试信号来说显然不现实，所以我们采用了模拟检测方法。P-TDR中使用的相位检测器原理框图如图3-12所示，其中符号代表的是模拟乘法器，其输出信号是两个输入信号的乘积。

图3-12 相位检测器原理框图

假设输入信号u₁、u₂分别如式（3-12）和式（3-13）所示：

式中，ω为信号角频率；U₁、U₂和φ₁、φ₂分别是两个信号的幅值和初相位。它们的乘积为：

式（3-14）中第一项为直流分量，其大小与u₁、u₂的幅值和相位差有关；第二项为二次谐波信号。使用低通滤波器对乘法器的输出进行滤波后可得直流电压V₁，即

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这里V₁虽然与两个信号的相位差有关，但也与它们的幅值有关，当相位不变而信号幅值变化时，V₁也会发生改变，这就给直接从V₁得到相位差（φ₁-φ₂）带来了困难。为了解决这一问题，可以使用移相器将信号u₁的相位改变90°变为u₁′后再与u₂一起送入第二个乘法器，式（3-16）为u₁相位改变90°变为u₁′：

将u₁′代入式（3-14）后得式（3-17）：

同样，式（3-17）中第一项为直流分量，第二项为二次谐波信号。使用低通滤波器对第二个乘法器的输出进行滤波后可得直流电压V₂，即

式（3-18）除以式（3-15）可得式（3-20）：

根据式（3-20）以及V₁和V₂的正负号就可以计算出相位差φ₁-φ₂，计算结果在-180°～+180°之间，再确定该相位差的整周期数，即可测量出任意范围的相位差。

需要说明的是，相位检测器的输出仅仅是直流电压信号V₁和V₂，根据V₁和V₂计算相位差的工作是用微处理器软件完成的。