基於分頻方式的相位差精確測量系統的製作方法

2023-05-02 05:20:16 1

本實用新型涉及信號處理技術領域，具體涉及一種基於分頻方式的相位差精確測量系統。

背景技術：

相位檢測是許多測量工程的一項基本而重要的任務，在通信和自動控制領域有著廣泛的應用。常見的相位檢測電路的檢測範圍一般比較窄，通常只有180°，而能夠檢測360°範圍相位差的電路常在區域拼接處存在奇點，電路在這個奇點的表現相當不穩定。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種基於分頻方式的相位差精確測量系統，該系統的檢測範圍寬，在0°～360°範圍內無奇點，核心電路結構簡單、速度快。

為解決上述技術問題，本實用新型公開的一種基於分頻方式的相位差精確測量系統，其特徵在於：它包括第一放大整形器、第二放大整形器、分頻鑑相器、選通控制器、積分變換器和微處理器，其中，所述選通控制器包括二通道模擬開關K1、二通道模擬開關K2和二通道模擬開關K3，第一放大整形器和第二放大整形器的信號輸入端分別連接頻率相同且相差恆定的第一被測信號接口JI和第二被測信號接口J2，第一放大整形器的信號輸出端連接分頻鑑相器的第一信號輸入端，第二放大整形器的信號輸出端連接分頻鑑相器的第二信號輸入端，分頻鑑相器的周期脈寬信號輸出端連接選通控制器的二通道模擬開關K1的第一輸入接線端，分頻鑑相器的相差脈寬信號輸出端連接選通控制器的二通道模擬開關K1的第二輸入接線端，二通道模擬開關K1的輸出接線端連接二通道模擬開關K2的第二輸入接線端，二通道模擬開關K2的第一輸入接線端接空，二通道模擬開關K2的輸出接線端連接積分變換器的信號輸入端，積分變換器的模擬電壓輸出端連接微處理器的內部模數轉換器的信號輸入端，積分變換器的模擬電壓輸出端還連接選通控制器的二通道模擬開關K3的輸入接線端，二通道模擬開關K3的第一輸出接線端接空，二通道模擬開關K3的第二輸出接線端接地，微處理器的第一選通控制信號輸出端連接二通道模擬開關K1的控制端，微處理器的第二選通控制信號輸出端連接二通道模擬開關K2的控制端，微處理器的放電控制信號輸出端連接二通道模擬開關K3的控制端。

本實用新型設計的上述系統基於分頻的方式，由於對輸入信號先進行了分頻，其周期就得到了翻倍，使得檢測範圍得以擴大。採用積分方式測量脈衝寬度，使得測量精度大大提高。

附圖說明

圖1為本實用新型的整體原理框圖；

圖2為本實用新型中分頻鑑相的原理框圖；

圖3為本實用新型中分頻鑑相電路輸入輸出信號波形圖；

圖4為本實用新型中選通控制器的原理框圖；

圖5為本實用新型中積分變換器的原理框圖；

圖6為本實用新型中積分變換電路輸入輸出信號波形圖；

圖7為本實用新型系統的輸出測試圖。

其中，1—第一放大整形器、2—第二放大整形器、3—分頻鑑相器、4—選通控制器、5—積分變換器、6—微處理器、7—液晶顯示器。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細說明：

本實用新型的所設計的基於分頻方式的相位差精確測量系統，如圖1～7所示，它包括第一放大整形器1、第二放大整形器2、分頻鑑相器3、選通控制器4、積分變換器5和微處理器6，其中，所述選通控制器4包括二通道模擬開關K1、二通道模擬開關K2和二通道模擬開關K3，第一放大整形器1和第二放大整形器2的信號輸入端分別連接頻率相同且相差恆定的第一被測信號接口JI和第二被測信號接口J2，第一放大整形器1的信號輸出端連接分頻鑑相器3的第一信號輸入端，第二放大整形器2的信號輸出端連接分頻鑑相器3的第二信號輸入端，分頻鑑相器3的周期脈寬信號輸出端連接選通控制器4的二通道模擬開關K1的第一輸入接線端，分頻鑑相器3的相差脈寬信號輸出端連接選通控制器4的二通道模擬開關K1的第二輸入接線端，二通道模擬開關K1的輸出接線端連接二通道模擬開關K2的第二輸入接線端，二通道模擬開關K2的第一輸入接線端接空，二通道模擬開關K2的輸出接線端連接積分變換器5的信號輸入端，積分變換器5的模擬電壓輸出端連接微處理器6的內部模數轉換器的信號輸入端，積分變換器5的模擬電壓輸出端還連接選通控制器4的二通道模擬開關K3的輸入接線端，二通道模擬開關K3的第一輸出接線端接空，二通道模擬開關K3的第二輸出接線端接地，微處理器6的第一選通控制信號輸出端IO1連接二通道模擬開關K1的控制端SELE，微處理器6的第二選通控制信號輸出端IO2連接二通道模擬開關K2的控制端CHAR，微處理器6的放電控制信號輸出端IO3連接二通道模擬開關K3的控制端DISC。

上述技術方案中，二通道模擬開關K1、二通道模擬開關K2、二通道模擬開關K3的電源正極接口連接均電源VDD，電源負極接口均連接負極電源VSS，接地端GND均接地。

上述技術方案中，所述分頻鑑相器3包括D型觸發器U5A、D型觸發器U5B和與門U6A，其中，D型觸發器U5A的數據輸入端1D連接D型觸發器U5A的數據反相輸出端～1Q，D型觸發器U5A的置位端～1PR和D型觸發器U5A的清零端～1CLR均連接電源VDD，第一放大整形器1的信號輸出端連接D型觸發器U5A的時鐘輸入端1CLK，D型觸發器U5A的數據輸出端1Q用於輸出周期脈寬信號(方波信號T_c)，D型觸發器U5B的數據輸入端2D連接與門U6A的輸出端，D型觸發器U5B的置位端～2PR和D型觸發器U5B的清零端～2CLR連接電源VDD，與門U6A的第一輸入端連接D型觸發器U5A的數據輸出端1Q，與門U6A的第二輸入端連接D型觸發器U5B的數據反相輸出端～2Q，第二放大整形器2的信號輸出端連接D型觸發器U5B的時鐘輸入端2CLK，與門U6A的輸出端用於輸出相差脈寬信號(相位差信號T_p)。

上述分頻鑑相器3中的觸發器U5A完成二分頻工作，第一方波信號SN1由D型觸發器U5A的時鐘輸入端1CLK輸入，方波信號T_c(二分頻信號)由D型觸發器U5A的數據輸出端1Q輸出。D型觸發器U5B和與門U6A完成鑑相工作，相差脈寬信號由與門U6A的輸出端給出。分頻鑑相器3的波形如圖3所示。

上述技術方案中，所述積分變換器5包括電阻R51、電阻R52、積分電容C51、三極體Q51、三極體Q52、發光二極體LED51和非門U9A，其中，非門U9A的輸入端連接二通道模擬開關K2的輸出接線端，非門U9A的輸出端連接電阻R52的一端，電阻R52的另一端連接三極體Q51的集電極，三極體Q51的發射極連接電源VDD，電阻R51的一端連接電源VDD，電阻R51的另一端連接三極體Q51的基極，三極體Q51的基極連接三極體Q52的發射極，三極體Q52的基極連接三極體Q51的集電極，三極體Q52的集電極連接發光二極體LED51的正極，發光二極體LED51的負極為積分變換器5的模擬電壓輸出端，積分電容C51的一端連接發光二極體LED51的負極，積分電容C51的另一端接地。積分變換器5的波形如圖6所示。

上述積分變換器5中，電阻R51、電阻R52、三極體Q51和三極體Q52組成恆流源，非門U9A輸出端控制著該恆流源的開通和截止。在非門U9A的輸入端T_s出現高電平時恆流源輸出端通過發光二極體LED51對積分電容C51充電，在非門U9A的輸入端T_s出現低電平時恆流源停止對積分電容C51充電。此處發光二極體LED51有兩個作用：一是充電的過程顯示；二是起降壓作用，限制積分輸出電壓幅度，使其滿足後級微處理器6的內部模數轉換器輸入電壓範圍的要求。在一個積分周期T內，積分電容C51兩端的累積電壓Uc滿足下面表達式

其中，C是積分電容C51的電容量，Ts是信號脈衝正頻寬度，n是一個積分周期T內包含的脈衝個數，這裡的T>>Ts，常量I是恆流源電流。當積分時間T和信號周期一定時，n是一個定數。因此可得：

Uc∝Ts

把相差脈寬信號和周期脈寬信號依次送入積分變換器5，依次測量出積分終了的電壓Up和Uc，即可以求出相位差；

上述技術方案中，所述選通控制器4還包括電阻R41和電阻R42，其中電阻R41的一端連接二通道模擬開關K2的輸出接線端，電阻R41的另一端接地，積分變換器5的模擬電壓輸出端通過電阻R42連接選通控制器4的二通道模擬開關K3的輸入接線端。

上述技術方案中，所述微處理器6的顯示信號輸出端連接有液晶顯示器7的信號輸入端。

一種利用上述系統進行相位差精確測量的方法，其特徵在於，它包括如下步驟：

步驟1：被測裝置(聲電，光電，磁電，力電傳感器)輸出頻率相同、相差恆定的第一路被測信號和第二路被測信號(1～100kHz)，第一路被測信號通過第一被測信號接口JI進入第一放大整形器1進行放大整形處理，得到CMOS邏輯電平的第一方波信號SN1(5V)，第二路被測信號通過第二被測信號接口J2進入第二放大整形器2進行放大整形處理，得到CMOS邏輯電平的第二方波信號SN2(5V)；

步驟2：CMOS邏輯電平的第一方波信號SN1和CMOS邏輯電平的第二方波信號SN2分別進入分頻鑑相器3的第一信號輸入端和第二信號輸入端，分頻鑑相器3將CMOS邏輯電平的第一方波信號SN1進行二分頻獲得佔空比為50％的方波信號T_c(該方波T_c正頻寬和負頻寬都等於第一方波信號SN1的一個周期)，即周期脈寬信號，分頻鑑相器3還產生CMOS邏輯電平的第一方波信號SN1和CMOS邏輯電平的第二方波信號SN2的相位差信號T_p(該相位差信號T_p正頻寬度等於第二方波信號SN2落後第一方波信號SN1的時間)，即相差脈寬信號；

步驟3：選通控制器4在微處理器6的控制下依次將相差脈寬信號和周期脈寬信號輸送到積分變換器5，積分變換器5分別對相差脈寬信號和周期脈寬信號進行積分變換，積分變換器5依次輸出正比於相差脈寬信號的電壓信號UP和正比於周期脈寬信號的電壓信號UC；

步驟4：微處理器6的內部模數轉換器讀取電壓信號UP和電壓信號UC，並計算電壓信號UP和電壓信號UC的比值(由於電壓信號UP或電壓信號UC，通常是成百上千個信號脈衝積累給出的結果，所以極大的提高了相位差測量精度)；

相位差＝360°*(UP/UC)

即完成了對被測裝置輸出的第一路被測信號和第二路被測信號之間相差的檢測。

上述技術方案中，所述微處理器6的第一選通控制信號輸出端輸出的選通信號SELE控制二通道模擬開關K1讓相差脈寬信號或周期脈寬信號通過，微處理器6的第二選通控制信號輸出端輸出的選通信號通過二通道模擬開關K2控制積分變換器5的積分變換開始和結束，微處理器6的放電控制信號輸出端DISC控制積分變換器5中積分電容C51的放電和終止。

上述技術方案中，選通控制器4在微處理器6的控制下依次將相差脈寬信號和周期脈寬信號輸送到積分變換器5的控制步驟為：

步驟3.1：微處理器6控制二通道模擬開關K1，使相差脈寬信號通過；

步驟3.2：微處理器6控制二通道模擬開關K2將相差脈寬信號輸送到積分變換器5進行積分變換；

步驟3.3：積分變換完成後微處理器6控制二通道模擬開關K2將相差脈寬信號斷開停止積分變換；

步驟3.4：微處理器6的內部模數轉換器讀取積分變換器5輸出的電壓信號UP；

步驟3.5：微處理器6控制二通道模擬開關K3使積分變換器5放電，清零積分電壓；

步驟3.6：積分變換器5放電預設時間後，微處理器6控制二通道模擬開關K1，使周期脈寬信號通過；

步驟3.7：微處理器6控制二通道模擬開關K2將周期脈寬信號輸送到積分變換器5進行積分變換；

步驟3.8：積分變換完成後微處理器6控制二通道模擬開關K2將周期脈寬信號斷開停止積分變換；

步驟3.9：微處理器6的內部模數轉換器讀取積分變換器5輸出的電壓信號UC；

步驟3.10：微處理器6控制二通道模擬開關K3使積分變換器5放電，清零積分電壓；

步驟3.11：積分變換器5放電預設時間後微處理器6計算電壓信號UP與電壓信號UC的比值並輸出結果，完成一個檢測循環。

上述技術方案中，所述步驟3中，選通控制器4在微處理器6的控制下依次將相差脈寬信號和周期脈寬信號輸送到積分變換器5的控制步驟還可以為：

步驟3.01：微處理器6控制二通道模擬開關K1，使周期脈寬信號通過；

步驟3.02：微處理器6控制二通道模擬開關K2將周期脈寬信號輸送到積分變換器5進行積分變換；

步驟3.03：積分變換完成後微處理器6控制二通道模擬開關K2將周期脈寬信號斷開停止積分變換；

步驟3.04：微處理器6的內部模數轉換器讀取積分變換器5輸出的電壓信號UC；

步驟3.05：微處理器6控制二通道模擬開關K3使積分變換器5放電，清零積分電壓；

步驟3.06：積分變換器5放電預設時間後，微處理器6控制二通道模擬開關K1，使相差脈寬信號通過；

步驟3.07：微處理器6控制二通道模擬開關K2將相差脈寬信號輸送到積分變換器5進行積分變換；

步驟3.08：積分變換完成後微處理器6控制二通道模擬開關K2將相差脈寬信號斷開停止積分變換；

步驟3.09：微處理器6的內部模數轉換器讀取積分變換器5輸出的電壓信號Up；

步驟3.010：微處理器6控制二通道模擬開關K3使積分變換器5放電，清零積分電壓；

步驟3.011：積分變換器5放電預設時間後微處理器6計算電壓信號UP與電壓信號UC的比值並輸出結果，完成一個檢測循環。

上述技術方案中，當輸入信號第二方波信號SN2落後第一方波信號SN1的相位差從0°至360°之間變化時，該相差脈寬信號的正頻寬度在0至TC(一個輸入信號周期)間隨之成比例變化。根據相差脈寬信號和周期脈寬信號，可以求出第一方波信號SN1和第二方波信號SN2的相位差(單位：度)

相位差＝360°*相差脈寬/周期脈寬

圖7所示為根據上述技術方案完成的相位差檢測裝置對10KHz信號的檢測結果。圖7中橫坐標表示信號相位差，縱坐標表示本裝置測量顯示的結果(以百分比表示出的相位差)。說明本裝置對0°至360°相位差有非常好的線性表現，並且在整個360°範圍內不存在奇點。

本說明書未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。