專利名稱：高精度±180°數(shù)字鑒相方法及其實(shí)施裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于信號(hào)相位差的檢測方法，更具體地說，本發(fā)明是關(guān)于基于數(shù)字鑒相 原理的高精度±180°數(shù)字鑒相方法及其實(shí)施裝置。
背景技術(shù)：
目前，相位檢測技術(shù)已經(jīng)迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于各種測控工程當(dāng)中，如電力系統(tǒng) 中功率因數(shù)的測量、鐵路系統(tǒng)中相敏軌道電路相位差的測量、超聲波隧道風(fēng)速測量以及科 氏質(zhì)量流量計(jì)中的相位差測量等等。比較典型的相位檢測方法有相乘法、矢量法、數(shù)值取 樣法、過零鑒相法等。各種鑒相方法應(yīng)用條件、測量范圍、測量精度以及復(fù)雜程度都各有不 同。相乘法是根據(jù)同頻率的兩個(gè)正弦信號(hào)通過乘法器、濾波電路得到直流電壓，由直流電壓 表測量顯示；矢量法是根據(jù)兩個(gè)同頻等幅的正弦信號(hào)相減后得到與sin0/2) (p為相位差)
成正比的矢量差的模求得相位差值，以上兩種方法的不足之處是實(shí)現(xiàn)電路復(fù)雜，對(duì)元器件 要求高，鑒相范圍只有±90° 。數(shù)值取樣法是通過等時(shí)間間隔連續(xù)采樣少數(shù)點(diǎn)即可計(jì)算出 相位，其不足之處是軟件實(shí)現(xiàn)方面要求高，且時(shí)間間隔的控制比較繁雜。過零鑒相法是通過 測量兩信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間間接獲得相位差，根據(jù)產(chǎn)生脈沖方式不同，主要分為門電路鑒相 法和觸發(fā)器鑒相法。門電路鑒相法的不足之處是只能實(shí)現(xiàn)0-180°范圍內(nèi)的鑒相，無法對(duì)信 號(hào)進(jìn)行辨向；觸發(fā)器鑒相法的不足之處在于存在填充脈沖一個(gè)周期內(nèi)的隨機(jī)誤差。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種能對(duì)信號(hào)進(jìn)行辨向，并能降 低隨機(jī)誤差的高精度±180°數(shù)字鑒相方法及其實(shí)施裝置。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種高精度±180°數(shù)字鑒相方法，包括下列步驟 使待鑒相信號(hào)通過±180°鑒相模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)辨向，并產(chǎn)生相位方波，相位方波的
脈沖寬度大小代表著信號(hào)相位差的大??；通過分頻器選取相位方波中數(shù)個(gè)脈沖寬度由計(jì)數(shù)
平均模塊分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且求得單個(gè)脈寬計(jì)數(shù)平均值，由該值精確計(jì)算出相位差的大小。 所述的使待鑒相信號(hào)通過±180°鑒相模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)辨向，并產(chǎn)生相位方波是，由
兩個(gè)非門和兩個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成鑒相模塊，使兩路待鑒相信號(hào)中的一路輸入一個(gè)D觸發(fā)器的
時(shí)鐘端，并通過一個(gè)非門輸入另一個(gè)D觸發(fā)器的D端；使兩路待鑒相信號(hào)中的另一路輸入所
述另一個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘端，并通過另一個(gè)非門輸入所述一個(gè)D觸發(fā)器的D端。 所述的由計(jì)數(shù)平均模塊分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且求得單個(gè)脈寬計(jì)數(shù)平均值是，利用用
高頻時(shí)鐘對(duì)相位方波進(jìn)行脈沖填充計(jì)數(shù)，求相位方波的多個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值的平均值。 —種高精度±180°數(shù)字鑒相裝置，包括用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)辨向并產(chǎn)生相位方波的 ±180°鑒相模塊4 ;用于將所述相位方波分頻，取得數(shù)個(gè)脈沖寬度信號(hào)并輸出到計(jì)數(shù)平均 模塊6的分頻器5 ;計(jì)數(shù)平均模塊6用于將分頻器選取的數(shù)個(gè)脈沖寬度信號(hào)分別進(jìn)行計(jì)數(shù)， 并求得單個(gè)脈寬計(jì)數(shù)平均值。
3
所述的±180°鑒相模塊4主要由兩個(gè)非門和兩個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成，兩路待鑒相信號(hào) 中的一路輸入一個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘端，并通過一個(gè)非門輸入另一個(gè)D觸發(fā)器的D端；兩路待 鑒相信號(hào)中的另一路輸入所述另一個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘端，并通過另一個(gè)非門輸入所述一個(gè) D觸發(fā)器的D端，所述兩個(gè)D觸發(fā)器分別輸出到分頻器5。 所述的分頻器5是將輸入信號(hào)頻率進(jìn)行M倍分頻，選取相位方波中M個(gè)相位脈沖。
所述的計(jì)數(shù)平均模塊6是由計(jì)數(shù)器及數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成，利用用高頻時(shí)鐘對(duì)相位 方波進(jìn)行脈沖填充計(jì)數(shù)，求相位方波的多個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值的平均值。
本發(fā)明具有如下技術(shù)效果 本發(fā)明采用±180°鑒相模塊實(shí)現(xiàn)了信號(hào)辨向，并且使相位測量范圍達(dá)到 ±180° 。采用對(duì)多脈沖寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)并平均的方法，大大提高了相位測量精度。本發(fā)明結(jié) 構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。


圖1示出本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。 圖2示出本發(fā)明的±180°鑒相模塊原理圖。 圖3示出本發(fā)明的信號(hào)Ain超前信號(hào)Bin的時(shí)序圖。 圖4示出本發(fā)明的信號(hào)Ain滯后信號(hào)Bin的時(shí)序圖。 圖5示出本發(fā)明的±180°鑒相特性圖。 圖6示出本發(fā)明的實(shí)施例中高精度±180°數(shù)字鑒相邏輯電路圖。 圖7示出本發(fā)明的實(shí)施例中信號(hào)Ain超前信號(hào)Bin的仿真時(shí)序圖。 圖8示出本發(fā)明的實(shí)施例中信號(hào)Ain滯后信號(hào)Bin的仿真時(shí)序圖。 圖中信號(hào)Ain 1 ;信號(hào)Bin 2 ;時(shí)鐘CLK 3 ; ± 180°鑒相模塊4 ;分頻器5 ;計(jì)數(shù)平
均模塊6 ;非門7 ;非門8 ;D觸發(fā)器9 ;D觸發(fā)器10 ;信號(hào)Aoilt 11 ;信號(hào)Bout 12 ;與門13 ; 與門14 ;16位計(jì)數(shù)器15 ;16為計(jì)數(shù)器16 ;信號(hào)QA 17 ;信號(hào)QB 18 ;非門19 ;4位計(jì)數(shù)器20 ;
D觸發(fā)器21 ;D觸發(fā)器22 ;非門23 ;信號(hào)choose 24 ;復(fù)位信號(hào)RST 25 ;平均算法26。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明主要包括三個(gè)功能模塊± 180°鑒相模塊4、分頻器5和計(jì)數(shù)平均模塊6。 待鑒相信號(hào)通過±180°鑒相模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)辨向，并產(chǎn)生相位方波，相位方波的脈沖寬度大
小代表著信號(hào)相位差的大小。通過分頻器選取數(shù)個(gè)脈沖寬度由計(jì)數(shù)平均模塊分別進(jìn)行計(jì) 數(shù)，并且求得單個(gè)脈寬計(jì)數(shù)平均值，由該值即可精確計(jì)算出相位差的大小。 所述的±180°鑒相模塊主要由兩個(gè)非門和兩個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成，兩路輸出信號(hào)用 于實(shí)現(xiàn)信號(hào)辨向。 所述的分頻器是將輸入信號(hào)頻率進(jìn)行M倍分頻，選取相位方波中M個(gè)相位脈沖。所 述的計(jì)數(shù)平均模塊是由計(jì)數(shù)器及數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成，利用用高頻時(shí)鐘對(duì)相位方波進(jìn)行脈沖 填充計(jì)數(shù)，將相位方波的多個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值求平均，可消除隨機(jī)誤差。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。 在圖1中，待鑒相信號(hào)Ain l和Bin 2為整形后的方波信號(hào)，具有相同頻率fs。信 號(hào)Ain和Bin首先輸入到±180°鑒相模塊4進(jìn)行鑒相?！?80°鑒相模塊主要由兩個(gè)非門7、8和兩個(gè)D觸發(fā)器9、10組成，如圖2所示。由±180°鑒相模塊的輸出信號(hào)Aout 11和Bout 12的具體形式可以對(duì)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)±180°鑒相功能。圖3和圖4為±180°鑒相模塊的時(shí)序圖。在圖3中，輸入信號(hào)Ain超前Bin，輸出信號(hào)Aout為相位方波信號(hào)，Bout為低電平；在圖4中，輸入信號(hào)Ain滯后Bin，輸出信號(hào)Aout為低電平，Bout為相位方波信號(hào)。由此對(duì)信號(hào)Ain和Bin實(shí)現(xiàn)了辨向功能。相位方波信號(hào)的脈寬大小對(duì)應(yīng)信號(hào)Ain和Bin的相位差(P大小。在圖5中，顯示了 ±180°鑒相模塊的鑒相特性圖。 實(shí)現(xiàn)±180°鑒相后，還應(yīng)對(duì)相位方波的脈沖寬度進(jìn)行測量。為了對(duì)相位差cp進(jìn)行高精度測量，用過更高頻率fc的基準(zhǔn)時(shí)鐘CLK 3對(duì)相位方波進(jìn)行填充，通過計(jì)數(shù)器對(duì)相位
方波中的填充脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值N即反映相位差大小，滿足^:N'f'360。。為了減小隨
fc
機(jī)誤差，對(duì)相位方波中選取的M個(gè)相位脈沖寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后求平均值。分頻器5控制選取M個(gè)信號(hào)周期作為一次測相，計(jì)數(shù)平均模塊6對(duì)該M個(gè)脈沖寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后求出單個(gè)脈沖寬度的計(jì)數(shù)平均值，最后得出信號(hào)Ain和Bin的精確相位差值
<formula>formula see original document page 5</formula>° (1) 下面是本發(fā)明的實(shí)施例。 圖6示出本發(fā)明的實(shí)施例中高精度±180°數(shù)字鑒相邏輯電路圖。鑒相工作之前，通過復(fù)位信號(hào)RST 25對(duì)各模塊進(jìn)行復(fù)位清零。待鑒相的信號(hào)Ain 1和Bin 2是頻率fs =20kHz的方波信號(hào)，兩信號(hào)首先輸入到±180°鑒相模塊4。圖6中，信號(hào)Ain和Bin分別以對(duì)稱的方式輸入到兩個(gè)非門7、8和兩個(gè)D觸發(fā)器9、10中，由輸出信號(hào)Aout 11和Bout 12進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信號(hào)辨向和相位測量。分頻器5有一個(gè)4位計(jì)數(shù)器和兩個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成，對(duì)輸入信號(hào)Ain (或Bin)實(shí)現(xiàn)M = 8倍分頻，即可選取相位方波中連續(xù)8個(gè)脈寬用于后續(xù)計(jì)數(shù)求平均。在計(jì)數(shù)平均模塊6中，采用頻率fc = 20MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘CLK對(duì)相位方波進(jìn)行填充計(jì)數(shù)，主要包括兩個(gè)與門13和14、一個(gè)16為計(jì)數(shù)器15和一個(gè)平均算法26。將M、fs、fc代
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入式(l)，可通過簡單算法計(jì)算出相位差值§N' fs ，An。
§Ni n，《。因此，數(shù)字鑒
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相精度可達(dá)0.36。，鑒相范圍在±180° 。并且選用更大的M值，可更有效地消除計(jì)數(shù)隨機(jī)誤差；采用更高頻率的時(shí)鐘，可進(jìn)一步提高鑒相精度。 圖7為信號(hào)Ain超前信號(hào)Bin 50.4°的仿真時(shí)序圖。信號(hào)QA 17是對(duì)相位方波脈沖的連續(xù)計(jì)數(shù)值，信號(hào)QB 18計(jì)數(shù)值為0，且沒變化，依次可判斷信號(hào)Ain超前信號(hào)Bin。信號(hào)QA依次計(jì)了8個(gè)數(shù)值140、280、420、560、700、840、980、1020，由于該數(shù)據(jù)是累加計(jì)數(shù)，因此在平均模塊中可判斷出，連續(xù)8個(gè)脈寬對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值為& N8 :140、 140、 140、 140、 140、140、140、140，由于仿真屬于理想情況，不存在隨機(jī)誤差，因而8個(gè)計(jì)數(shù)值不存在差異。由式
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(l)可計(jì)算出相位差fs ^n?！秐/)。綜上可知仿真獲得了準(zhǔn)確的鑒相結(jié)果信
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號(hào)Ain超前信號(hào)Bin 50.4° 。圖8為信號(hào)Ain滯后信號(hào)Bin 50.4°的仿真時(shí)序圖。同理可得鑒相結(jié)果信號(hào)Ain滯后信號(hào)Bin 50.4° 。
權(quán)利要求
一種高精度±180°數(shù)字鑒相方法，其特征是，包括下列步驟使待鑒相信號(hào)通過±180°鑒相模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)辨向，并產(chǎn)生相位方波，相位方波的脈沖寬度大小代表著信號(hào)相位差的大?。煌ㄟ^分頻器選取相位方波中數(shù)個(gè)脈沖寬度由計(jì)數(shù)平均模塊分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且求得單個(gè)脈寬計(jì)數(shù)平均值，由該值精確計(jì)算出相位差的大小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度±180°數(shù)字鑒相方法，其特征是，所述的使待鑒 相信號(hào)通過±180°鑒相模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)辨向，并產(chǎn)生相位方波是，由兩個(gè)非門和兩個(gè)D觸發(fā) 器構(gòu)成鑒相模塊，使兩路待鑒相信號(hào)中的一路輸入一個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘端，并通過一個(gè)非 門輸入另一個(gè)D觸發(fā)器的D端；使兩路待鑒相信號(hào)中的另一路輸入所述另一個(gè)D觸發(fā)器的 時(shí)鐘端，并通過另一個(gè)非門輸入所述一個(gè)D觸發(fā)器的D端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度±180°數(shù)字鑒相方法，其特征是，所述的由計(jì)數(shù) 平均模塊分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且求得單個(gè)脈寬計(jì)數(shù)平均值是，利用用高頻時(shí)鐘對(duì)相位方波進(jìn) 行脈沖填充計(jì)數(shù)，求相位方波的多個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值的平均值。
4. 一種高精度±180°數(shù)字鑒相裝置，其特征是，包括用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)辨向并產(chǎn)生相位 方波的±180°鑒相模塊(4);用于將所述相位方波分頻，取得數(shù)個(gè)脈沖寬度信號(hào)并輸出到 計(jì)數(shù)平均模塊(6)的分頻器(5);計(jì)數(shù)平均模塊(6)用于將分頻器選取的數(shù)個(gè)脈沖寬度信 號(hào)分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，并求得單個(gè)脈寬計(jì)數(shù)平均值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高精度±180°數(shù)字鑒相裝置，其特征是，所述的 ±180°鑒相模塊(4)主要由兩個(gè)非門和兩個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成，兩路待鑒相信號(hào)中的一路輸入 一個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘端，并通過一個(gè)非門輸入另一個(gè)D觸發(fā)器的D端；兩路待鑒相信號(hào)中的 另一路輸入所述另一個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘端，并通過另一個(gè)非門輸入所述一個(gè)D觸發(fā)器的D 端，所述兩個(gè)D觸發(fā)器分別輸出到分頻器(5)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高精度±180°數(shù)字鑒相裝置，其特征是，所述的分頻器 (5)是將輸入信號(hào)頻率進(jìn)行M倍分頻，選取相位方波中M個(gè)相位脈沖。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高精度±180°數(shù)字鑒相裝置，其特征是，所述的計(jì)數(shù)平 均模塊(6)是由計(jì)數(shù)器及數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成，利用用高頻時(shí)鐘對(duì)相位方波進(jìn)行脈沖填充計(jì) 數(shù)，求相位方波的多個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值的平均值。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于信號(hào)相位差的檢測方法和裝置，具體講，是關(guān)于基于數(shù)字鑒相原理的高精度±180°數(shù)字鑒相方法及其實(shí)施裝置。為提供一種能對(duì)信號(hào)進(jìn)行辨向，并能降低隨機(jī)誤差的高精度±180°數(shù)字鑒相裝置，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)辨向并產(chǎn)生相位方波的±180°鑒相模塊；用于將所述相位方波分頻，取得數(shù)個(gè)脈沖寬度信號(hào)并輸出到計(jì)數(shù)平均模塊的分頻器；計(jì)數(shù)平均模塊用于將分頻器選取的數(shù)個(gè)脈沖寬度信號(hào)分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，并求得單個(gè)脈寬計(jì)數(shù)平均值。本發(fā)明主要用于電力系統(tǒng)中功率因數(shù)的測量、鐵路系統(tǒng)中相敏軌道電路相位差的測量、超聲波隧道風(fēng)速測量以及科氏質(zhì)量流量計(jì)中的相位差測量等信號(hào)的相位檢測。
文檔編號(hào)H03D13/00GK101702617SQ20091007099
公開日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者李孟麟, 歐冰潔, 歐陽濤, 段發(fā)階 申請(qǐng)人:天津大學(xué)