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基于AD8302的相位差法测声速

花添雨;封维忠;孙成忠

【摘要】对相位差法测量声速实验进行了改进,改进后的宽频带相位差测量系统由

AD8302相位差测量芯片、运放电路和MSP430单片机构成,可以直接测量发射信

号与接收信号之间的相位差,实现了相位测量的数字化,提高了声速的测量精度.

【期刊名称】《物理实验》

【年(卷),期】2017(037)008

【总页数】4页(P10-13)

【关键词】声速;相位差;AD8302;MSP430;李萨如图形

【作者】花添雨;封维忠;孙成忠

【作者单位】南京林业大学信息科学技术学院,江苏南京210037;南京林业大学信

息科学技术学院,江苏南京210037;南京林业大学信息科学技术学院,江苏南京

210037

【正文语种】中文

【中图分类】O422.1

声速是声学研究的重要的基本参量，通过声速测量，可以间接测量材料的切变模量、

弹性模量和密度等参量[1]，声速测量被广泛应用于无损检测等领域，在其他学科

中也有许多应用.声速的测量是大学物理实验的重要内容，常用方法有：共振法、

相位法和时差法.传统相位差法测声速采用示波器观察发射波与接收信号垂直振动

合成的李萨如图形来确定相位差.本文采用AD8302单片宽频带相位差测量系统，

直接测量出发射信号与接收信号之间的相位差，实现了相位测量的数字化，从而提

高了声速的测量精度.

声波的传播速度v与声波频率f和波长λ的关系为

测量出声波的频率与波长，就可以计算出声速[2].由声波的波源发出的具有固定频

率的声波在空间形成声场，声场中任一点的振动相位与声源振动相位之差为

在示波器上可以观测到发射波与接收信号的垂直振动合成的李萨如图形[3].若发射

波和接收波的信号为

则该李萨如图形即合振动方程为

相位差θ=θ2-θ1从0变为π时，李萨如图形会依次按图1所示变化.由于超声发

射器发出的是近似于平面波的声波，当接收器端面垂直于波的传播方向时，其端面

上各点都具有相同的相位.沿传播方向移动接收器时，总可以找到接收到的信号与

发射器激励信号同相的位置.继续移动接收器，直到接收的信号再次和发射器的激

励信号同相时，移动的距离必然等于声波的波长.

2.1基于AD8302的相位差法测声速原理

相位差法测声速实验中，使用示波器观察李萨如图形时人为误差无法控制，因此，

本文提出了另一种测量声速的方法，如图2所示.由信号发生器产生的激励信号和

经过换能器[4]接收的信号分别被送入AD8302相位差测量模块，AD8302输出与

两信号相位差成反比的电压信号，经MSP430单片机采集模拟电压信号并进行

A/D转化[5]，同时，温度模块采集到的温度也送入单片机，以便进行温度补偿，

1602液晶屏上同时显示两信号的相位差数值和空气的温度值.当改变发射器和接

收器之间的距离时，相位差也会发生变化，当相位差由某特定值经过变化后再回到

该特定值，移动的距离就是波长或者是半波长.在数显尺上读出波长或半波长的数

值和数字信号发生器显示的频率值，即可计算声速值[6].

2.2AD8302相位差检测模块原理

AD8302是美国ADI公司推出的单片宽频带相位差测量芯片.AD8302内部电路框

图如图3所示，包含2个精密匹配的宽带对数放大器、1个宽带相位检测器、1.8

V精密基准源，以及模拟标定电路和接口电路，能测量从低频到2.7GHz频率范

围内2个输入信号之间的幅度比和相位差[7].输入信号可以是单端信号，也可以是

差分信号.由于2个精密匹配的对数放大器集成在1片芯片上，因此可将温度漂移

减至最低限度.

AD8302测量相位差的范围是0°～180°，理论所对应的输出电压范围为0～1.8V，

输出电压灵敏度为10mV/(°)，测量误差小于0.5°.当相位差θ=0°时，输出电压

为1.8V；当θ=180°时，输出电压为30mV，输出电流为8mA.相位输出时转

换速率为30MHz，响应时间为40～500ns(视被测相位差而定).AD8302的相位

特性曲线如图4所示.

由AD8302的相位特性曲线可知，在±180°内，由输出电压无法区分相位差的正