一種信號相位差的檢測方法及系統與流程
2023-05-31 13:49:02 4
本發明涉及信息檢測控制領域，特別是涉及一種信號相位差的檢測方法及系統。
背景技術：
相位是交變信號的三大要素之一，而相位差則是描述兩個頻率相同的交流信號之間關係的重要參數；相位差檢測系統是電氣測量中的一種常用電路，在工業自動化、智能控制、移動通訊、傳感器檢測等系統中得到廣泛的應用；頻率相同相位差檢測算法在各個領域都有著重要的應用，目前最常用的相位差檢測算法是數字計數器檢測法，數字計數器檢測的算法和結構比較簡單，在實際工程中經常以高電平脈衝的檢測精度來表徵相位差精度。
檢測時一般採用工作頻率大於待檢測頻率的高頻計數器對待檢測信號的高電平脈衝寬度在設定周期範圍內進行計數，如果要求能夠檢測到的最小脈衝寬度為1ns，那麼計數器就需要至少1GHz的工作頻率；因此這種檢測方法是通過提高檢測電路的工作頻率來達到所要求的檢測精度，如果待測信號頻率本身就很高或者相位檢測精度的要求進一步提升，現有的製造工藝就很難達到電路所需要的工作頻率。
技術實現要素：
本發明的提供了一種信號相位差的檢測方法及系統，其目的是通過利用微小差頻時鐘採樣信號實現檢測同頻相位差。
本發明提供的技術方案如下：
一種信號相位差的檢測方法，包括：步驟S100獲取待檢測信號及頻率相同且具有基準相位的基準信號，並根據所述待檢測信號的信號頻率結合所需的檢測精度信息獲取總採樣次數；步驟S200將所述基準信號與所述待檢測信號組合成為與所述待檢測信號頻率相同的待檢相差信號；步驟S300根據信號頻率獲取所述待檢相差信號的脈寬個數信息；步驟S400根據所需的檢測精度信息和所述脈寬個數信息獲取所述待檢測信號的相位差信息。
在本發明中，相位差檢測方法基於待測信號頻率已知的前提條件下，通過在時域上擴展採樣次數，把對採樣時鐘頻率的要求轉換成了採樣時鐘精度的要求，從而達到了減小檢測電路工作頻率的目的。
優選的，所述步驟S300還包括：步驟S310根據所述待檢測信號的所需精度信息獲取所述信號頻率，並根據所述信號頻率生成檢測方波信號；其中，所述檢測方波信號的信號頻率為高於所述待檢測信號頻率的檢測高頻率或低於所述待檢測信號頻率的檢測低頻率；步驟S320根據所述檢測方波信號與所述待檢相差信號進行比對；步驟S330根據所述步驟S320比對的結果對所述待檢相差信號的脈寬個數進行檢測；步驟340根據所述檢測方波信號的信號頻率獲取所述步驟S330檢測並累加的所述待檢相差信號的脈寬個數。
在本發明中，根據待檢測信號的檢測精度，求取總採樣次數，進一步根據總採樣次數獲得檢測頻率，通過本發明提供的算法獲取的檢測頻率遠遠低於現有技術的檢測頻率，同時提供兩種檢測頻率；一來降低了待測信號的檢測條件，二來通過兩種相對較低的檢測頻率可以相互提供驗證，對於待檢測信號檢測的精準性得到保證，解決了用高頻率檢測低頻信號的問題，使其計算量減小，檢測更加快捷。
優選的，所述步驟S330包括：步驟S331當所述檢測高頻率處於高電平時，檢測到所述待檢相差信號從下降沿至上升沿時進行一次累加；執行步驟S340。
優選的，所述步驟S330還包括：步驟S332當所述檢測低頻率處於高電平時，檢測到所述待檢相差信號從上升沿至下降沿時進行一次累加；執行步驟S340。
在本發明中，通過設置的不同檢測頻率在設定的檢測周期內獲取待檢測信號的脈寬個數；通過將檢測信號變換成方波信號，通過上升沿或者下降的變化獲取脈寬個數，該種檢測方式更加直觀，方便。
優選的，所述步驟S200還包括：步驟S210將所述基準信號與所述待檢測信號分別變換成同頻率的方波信號；步驟S220將所述基準信號與所述待檢測信號分別變換後的同頻率的方波信號進行二分頻變換；步驟S230進一步將二分頻後的所述基準信號與所述待檢測信號的方波信號進行邏輯運算得到與所述待檢測信號頻率相同的所述待檢相差信號。
在本發明中，將待檢測信號通過延遲變換後進一步的變換成相差信號，並將其轉換成方波待檢信號；首先為進行脈寬計數提供有利基礎工作；其次對脈寬計數更加準確；最後有助於本發明的算法的實現。
優選的，所述總採樣次數的模型包括：σ＝1/f0·10a，σ--所述待檢信號精度，f0--所述待檢測信號的信號頻率，10a--所述總採樣次數。
優選的，所述檢測方波信號的檢測高頻率的模型包括：f1＝(1+1/10a)f0，f1--所述檢測方波信號的檢測高頻率。
優選的，所述檢測方波信號的檢測低頻率的模型包括：f2＝(1-1/10a)f0，f2--所述檢測方波信號的檢測低頻率。
優選的，所述待檢測信號的相位差信息的模型包括：Δθ＝2π·N(1)/10a，N(1)--所述待檢相差信號的脈寬個數信息，Δθ--所述待檢測信號的相位差。
一種同頻信號的相位差的檢測系統，包括：總採樣次數獲取模塊，獲取與待檢測信號及頻率相同且具有基準相位的基準信號，並根據所述待檢測信號的信號頻率結合所需的檢測精度信息獲取總採樣次數；待檢測信號獲取模塊，與所述檢測精度獲取模塊電連接，將所述基準信號與所述待檢測信號組合成為與所述待檢測信號頻率相同的待檢相差信號；待檢測脈寬統計模塊，與所述待檢測信息獲取模塊電連接，根據信號頻率獲取所述待檢相差信號的脈寬個數信息；相位差信息獲取模塊，與所述待檢測脈寬統計模塊電連接，根據所需的檢測精度信息和所述脈寬個數信息獲取所述待檢測信號的相位差信息。
在本發明中，相位差檢測方法基於待測信號頻率已知的前提，通過在時域上擴展採樣次數，把對採樣時鐘頻率的要求轉換成了採樣時鐘精度的要求，從而達到了減小檢測電路工作頻率的目的。
與現有技術相比，本發明提供一種信號相位差的檢測方法及系統，至少帶來以下一種技術效果:
在本發明中，通過檢測精度獲取總的採樣次數，進一步根據總的採樣次數，求取對待檢測信號的檢測頻率，根據檢測頻率獲取周期時間的待檢測信號的脈寬個數，最後完成對待檢測信號相位差的求取；本發明獲得的檢測頻維持在待檢測信號的頻率附近；因此在工程檢測過程中，不會增加檢測工藝；適應的更多的檢測過程，特別適用於高精度高頻率的待檢測信號，本發明解決了利用微小差頻時鐘採樣信號檢測同頻相位差的問題。
附圖說明
下面將以明確易懂的方式，結合附圖說明優選實施方式，對一種信號相位差的檢測方法及系統特性、技術特徵、優點及其實現方式予以進一步說明。
圖1是本發明一種信號相位差的檢測方法一個實施例的流程圖；
圖2是本發明一種信號相位差的檢測方法另一個實施例的流程圖；
圖3是本發明一種信號相位差的檢測方法另一個實施例的流程圖；
圖4是本發明一種信號相位差的檢測系統一個實施例的結構圖；
圖5是本發明信號變換實施例的信號圖；
圖6是本發明高檢測頻率實施例統計圖；
圖7是本發明低檢測頻率實施例統計圖；
圖8是本發明一種信號相位差的檢測系統另一個實施例的結構圖。
具體實施方式
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對照附圖說明本發明的具體實施方式。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖，並獲得其他的實施方式。
為使圖面簡潔，各圖中只示意性地表示出了與本發明相關的部分，它們並不代表其作為產品的實際結構。另外，以使圖面簡潔便於理解，在有些圖中具有相同結構或功能的部件，僅示意性地繪示了其中的一個，或僅標出了其中的一個。在本文中，「一個」不僅表示「僅此一個」，也可以表示「多於一個」的情形。
本發明提供一種信號相位差的檢測方法的一個實施例，包括：步驟S100獲取待檢測信號及頻率相同且具有基準相位的基準信號，並根據所述待檢測信號的信號頻率結合所需的檢測精度信息獲取總採樣次數；步驟S200將所述基準信號與所述待檢測信號組合成為與所述待檢測信號頻率相同的待檢相差信號。步驟S300根據信號頻率獲取所述待檢相差信號的脈寬個數信息；步驟S400根據所需的檢測精度信息和所述脈寬個數信息獲取所述待檢測信號的相位差信息。
具體的，在本實施例中，參考圖1和圖5所示；假設基準信號V1和待測信號V2的頻率為f0，先將頻率相同的基準信號V1和待測信號V2經過放大整變換成為待檢相差信號F，信號F的頻率為f0，若系統對F脈寬的檢測精度要求為σ，根據檢測精度以及待檢信號的頻率f0求取總採樣次數，總採樣次數計算的模型為：σ＝1/f0·10a，由此可以求得總的採樣次數10a；待檢相差信號F的脈寬個數信息假設最終計數器的值為N(1)，所述待檢測信號的相位差信息的模型包括：Δθ＝2π·N(1)/10a。
在本發明中，相位差檢測方法基於待測信號頻率已知的前提，通過在時域上擴展採樣次數，把對採樣時鐘頻率的要求轉換成了採樣時鐘精度的要求，從而達到了減小檢測電路工作頻率的目的。
優選的，所述步驟S300還包括：步驟S310根據所述待檢測信號的所需精度信息獲取所述信號頻率，並根據所述信號頻率生成檢測方波信號；其中，所述檢測方波信號的信號頻率為高於所述待檢測信號頻率的檢測高頻率或低於所述待檢測信號頻率的檢測低頻率；步驟S320根據所述檢測方波信號與所述待檢相差信號進行比對；步驟S330根據所述步驟S320比對的結果對所述待檢相差信號的脈寬個數進行檢測；步驟340根據所述檢測方波信號的信號頻率獲取所述步驟S330檢測並累加的所述待檢相差信號的脈寬個數。
具體的，本實施例是以上一實施例為基礎提供的又一實施例；參考圖2和圖5所示；檢測高頻率為圖5中的f1，檢測低頻率為圖5中的f2；分別將以f1和f2為檢測頻率生成的方波波形信號與待檢相差信號f0＝f進行比對，根據時間延遲的快慢進行比對，檢測待檢相差信號F在設置不同的條件下生成的脈寬，即一個周期內的高電平個數進行累加統計，統計果結為N(1)；所述檢測方波信號的檢測高頻率的計算方法為：f1＝(1+1/10a)f0，所述檢測方波信號的檢測低頻率的計算方法為：f2＝(1-1/10a)f0；總採樣次數為10a次。
在本發明中，根據待檢測信號的檢測精度，求取總採樣次數，進一步根據總採樣次數獲得檢測頻率，通過本發明提供的算法獲取的檢測頻率遠遠低於現有技術的檢測頻率，同時提供兩種檢測頻率；一來降低了待測信號的檢測條件，二來通過兩種相對較低的檢測頻率可以相互提供驗證，對於待檢測信號檢測的精準性得到保證，解決了用高頻率檢測低頻信號的問題，使其計算量減小，檢測更加快捷。
優選的，所述步驟S330包括：步驟S331當所述檢測高頻率處於高電平時，檢測到所述待檢相差信號從下降沿至上升沿時進行一次累加；執行步驟S340；優選的，所述步驟S330還包括：步驟S332當所述檢測低頻率處於高電平時，檢測到所述待檢相差信號從上升沿至下降沿時進行一次累加；執行步驟S340；
具體的，本實施例是以上一實施例為基礎提供的又一實施例；參考圖3所示；結合圖6是信號採樣的示意圖如所示，f1為檢測高頻率條件下產生的差頻信號。由於f1和f0之間存在微小的頻差，f1稍快於f0，因此會在採樣過程中從F信號的下降沿採樣至其上升沿，在此期間計數器會在每一個f1的上升沿加一。而當f1的上升沿位於F的低電平期間，計數器保持不變。圖7另一種方法是通過產生一個比基準頻率f0略小的時鐘信號，例如f2為檢測低頻率條件下產生的差頻信號，對F信號相位差檢測，最終的相位差計算公式與上式相同，與用f1採樣的區別在於，f1是從F的下降沿採樣到上升沿，而f2因為比F稍慢，所以是從信號F的上升沿採樣到下降沿，總採樣次數為10a次。
在本發明中，通過設置的不同檢測頻率在設定的檢測周期內獲取待檢測信號的脈寬個數；通過將檢測信號變換成方波信號，通過上升沿或者下降的變化獲取脈寬個數，該種檢測方式更加直觀，方便。
優選的，所述步驟S200還包括：步驟S210將所述基準信號與所述待檢測信號分別變換成同頻率的方波信號；步驟S220將所述基準信號與所述待檢測信號分別變換後的同頻率的方波信號進行二分頻變換；步驟S230進一步將二分頻後的所述基準信號與所述待檢測信號的方波信號進行邏輯運算得到與所述待檢測信號頻率相同的所述待檢相差信號。
具體的，本實施例是以上一實施例為基礎提供的又一實施例；參考圖3所示；結合圖5所示；A--幅值，sinωt--基準信號，基準信號變換成方波信號的模型包括：B(t)＝A·sgn[sinωt]，其建立的波形為B；待檢測信號變換成方波信號的模型包括：C(t)＝A·sgn[sin(ωt-θ)]，0≤θ＜2π，θ--相位差，sin(ωt-θ)--所述待檢測信號,其建立的波形為C；經過二分頻變換後波形B變為D，波形C變為E，D和E波形進行異或運算，變換成與f0同頻率的F即為待檢相差信號，採用f1和f2進行相位差檢測的區別如圖6和圖7所示：由於f1稍快於F信號的f0，因此在對F信號的採樣過程中f1的上升沿會沿著F信號從右向左移動；而f2稍慢於F信號的f0，因此在對F信號的採樣過程中f2的上升沿會沿著F信號從左向右移動。f1和f2在每經過一個F的周期就會相對F偏移一個固定的時間Δt＝1/f0·10a；因此在10a個F周期之後，f1和f2就能完整的遍歷F的一個周期。
在本發明中，將待檢測信號通過延遲變換後進一步的變換成相差信號，並將其轉換成方波待檢信號；首先為進行脈寬計數提供有利基礎工作；其次對脈寬計數更加準確；最後有助於本發明的算法的實現。
本發明還提供一種信號相位差的檢測方法的一個實施例，參考圖3所示，其包括：步驟S100獲取待檢測信號及頻率相同且具有基準相位的基準信號，並根據所述待檢測信號的信號頻率結合所需的檢測精度信息獲取總採樣次數；步驟S210將所述基準信號與所述待檢測信號分別變換成同頻率的方波信號；步驟S220將所述基準信號與所述待檢測信號分別變換後的同頻率的方波信號進行二分頻變換；步驟S230進一步將二分頻後的所述基準信號與所述待檢測信號的方波信號進行邏輯運算得到與所述待檢測信號頻率相同的所述待檢相差信號；步驟S310根據所述待檢測信號的所需精度信息獲取所述信號頻率，並根據所述信號頻率生成檢測方波信號；其中，所述檢測方波信號的信號頻率為高於所述待檢測信號頻率的檢測高頻率或低於所述待檢測信號頻率的檢測低頻率；步驟S320根據所述檢測方波信號與所述待檢相差信號進行比對；步驟S331當所述檢測高頻率處於高電平時，檢測到所述待檢相差信號從下降沿至上升沿時進行一次累加；執行步驟S340；步驟S332當所述檢測低頻率處於高電平時，檢測到所述待檢相差信號從上升沿至下降沿時進行一次累加；執行步驟S340；步驟340根據所述檢測方波信號的信號頻率獲取所述步驟S330檢測並累加的所述待檢相差信號的脈寬個數；步驟S400根據所需的檢測精度信息和所述脈寬個數信息獲取所述待檢測信號的相位差信息。
具體的，sinωt為基準信號，sin(ωt-θ)為待檢測信號，通過延時器產生θ為相位差，0≤θ＜2π；其基準信號和待檢測信的頻率為f0，參考圖5所示，進一步進行放大整形為方波信號，A--幅值，基準信號變換成方波信號的模型包括：B(t)＝A·sgn[sinωt]，其建立的波形為B；待檢測信號變換成方波信號的模型包括：C(t)＝A·sgn[sin(ωt-θ)]，其建立的波形為C；經過二分頻變換後波形B變為D，波形C變為E，D和E波形進行異或運算，變換成與f0同頻率的F即為待檢相差信號；根據精度已知，計算總採樣次數計算的模型為σ＝1/f0·10a；由此可以求得總的採樣次數10a；進一步的求取檢測頻率，根據檢測頻率變換成比待檢測頻率高和低的兩種檢測頻率，並生成方波信號，檢測方波信號的檢測高頻率的計算方法為：f1＝(1+1/10a)f0，檢測方波信號的檢測低頻率的計算方法為：f2＝(1-1/10a)f0；利用檢測方波信號與待檢測方波信號進行比對，求取在一個檢測周期內信號F在不同頻率下統計的脈寬個數N(1)；由此根據待檢測信號的相位差信息的模型：Δθ＝2π·N(1)/10a，求得相位差。
在本發明中，通過檢測精度獲取總的採樣次數，進一步根據總的採樣次數，求取對待檢測信號的檢測頻率，根據檢測頻率獲取周期時間的待檢測信號的脈寬個數，最後完成對待檢測信號相位差的求取；本發明獲得的檢測頻維持在待檢測信號的頻率附近；因此在工程檢測過程中，不會增加檢測工藝；適應的更多的檢測過程，特別適用於高精度高頻率的待檢測信號，本發明解決了利用微小差頻時鐘採樣信號檢測同頻相位差的問題。
一種同頻信號的相位差的檢測系統，包括：總採樣次數獲取模塊100，獲取與待檢測信號及頻率相同且具有基準相位的基準信號，並根據所述待檢測信號的信號頻率結合所需的檢測精度信息獲取總採樣次數；待檢測信號獲取模塊200，與所述檢測精度獲取模塊100電連接，將所述基準信號與所述待檢測信號組合成為與所述待檢測信號頻率相同的待檢相差信號；待檢測脈寬統計模塊300，與所述待檢測信息獲取模塊200電連接，根據信號頻率獲取所述待檢相差信號的脈寬個數信息；相位差信息獲取模塊400，與所述待檢測脈寬統計模塊300電連接，根據所需的檢測精度信息和所述脈寬個數信息獲取所述待檢測信號的相位差信息。
具體的，在本實施例中，參考圖4結合圖5、6、8所示；總採樣次數獲取模塊100系統通過預設的檢測精度獲取總的採樣次數10a，假設σ＝1ns，而待檢測信號頻率為100KHz，根據模型公式σ＝1/f0·10a，即1ns＝1/100KHz·10a，推算出a＝4；sinωt為基準信號，根據待檢測信號獲取模塊200獲取sin(ωt-θ)為待檢測信號，通過延時器產生θ為相位差，0≤θ＜2π；其基準信號和待檢測信的頻率為f0，參考圖5所示，進一步進行放大整形為方波信號，A--幅值，基準信號變換成方波信號的模型包括：B(t)＝A·sgn[sinωt]，其建立的波形為B；待檢測信號變換成方波信號的模型包括：C(t)＝A·sgn[sin(ωt-θ)]，其建立的波形為C；經過二分頻變換後波形B變為D，波形C變為E，D和E波形進行異或運算，變換成與f0同頻率的F即為待檢相差信號；進一步的求取檢測頻率，根據待檢測脈寬統計模塊300檢測頻率變換成比待檢測頻率高和低的兩種檢測頻率，並生成方波信號，檢測方波信號的檢測高頻率的計算方法為：f1＝(1+1/10a)f0，檢測方波信號的檢測低頻率的計算方法為：f2＝(1-1/10a)f0；f1和f2通過時鐘產生電路模塊PLL 40。因此本實施例中，檢測方波信號的頻率為f1＝100.01KHz或f2＝99.99KHz的時鐘信號對差頻信號F進行採樣，如果時鐘上升沿採樣到的F信號是高電平，則計數器加1，如果採樣到的F信號是低電平，則計數器不變；利用相位差信息獲取模塊400，經過10a次採樣後，假設最終計數器的值為N(1)，則最終通過相位差公式：Δθ＝2π·N(1)/10a，可以實現精度為1ns的相位差檢測。
在本發明中，相位差檢測方法基於待測信號頻率已知的前提，通過在時域上擴展採樣次數，把對採樣時鐘頻率的要求轉換成了採樣時鐘精度的要求，從而達到了減小檢測電路工作頻率的目的。
本發明還提供了一個實施例，參考圖8所示，基準信號B與待檢信號輸出模塊10電連接，並通過待檢信號輸出模塊10生成的待檢測信號C，經過相位差提取模塊20產生如圖5所示的F信號，基準信號和待檢測信號兩個輸入信號經過過零比較器產生B和C信號、通過二分頻電路產生D和E信號，最後通過異或門產生F信號。在檢測F信號的高電平脈寬時，脈寬檢測電路30由兩個計數器構成，計數器1用於計算總共需要採樣的次數，即10a次，假設為10000次。第二個計數器用於記錄採樣到高電平的次數。當計數器1和計數器2同時開始計數，當計數器1計滿10000次，會產生一個停止信號通知計數器2停止工作。如果當計數器1計滿10000次時，計數器2的結果是b，就表示F的脈寬為bns，換算為相位差就是(2π·b)/10000。計數器每一個步階所代表的相位差測量精度為2π/10000。假設，如果當計數器1計滿10000次時，計數器2的結果是0，表示基準信號和待測信號之間沒有相位差；計數器2結果是1，表示F高電平脈寬為1ns，實際相位差為2π/10000；若計數器2結果為10000，表示F高電平脈寬為10μs，實際相位差為2π。
應當說明的是，上述實施例均可根據需要自由組合。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。