專利名稱：數(shù)字化高精度相位檢測器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā) 明涉及信號相位測量技術(shù)領域，具體涉及一種具有精確測量兩路被測信號相 位差的數(shù)字化高精度相位檢測器。
背景技術(shù)：
相位測量技術(shù)廣泛地用于電力工業(yè)、機械工程、航天航空、資源勘探、通信系統(tǒng)、雷 達及聲納等領域。隨著當代科學技術(shù)水平的迅猛提高，各應用領域?qū)ο辔粶y量技術(shù)提出了 新的要求，使得相位檢測器朝著寬量程、寬頻帶、高精度、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的相位檢測器有多種，根據(jù)其實現(xiàn)方式，可以分為模擬和數(shù)字兩大類。其中， 模擬相位檢測器主要有脈沖填充計數(shù)式，將被測信號整形成方波信號并形成輸出脈沖序 列的脈寬信號，以此控制閘門電路得到高頻脈沖的計數(shù)個數(shù)反映被測信號之間的相位差； 鑒相式，被測信號整形成方波信號經(jīng)異或門電路作鑒相處理，再經(jīng)平滑濾波得到與相位差 成正比的直流分量的幅值。模擬相位檢測器由模擬電路實現(xiàn)，需要專用的器件，硬件成本 高，一般難以達到很高的相位精度。而數(shù)字式相位檢測器主要有過零檢測式，相關(guān)檢測式，基于快速傅立葉變化 (FFT)式。過零檢測式相位檢測器對于高頻信號的相位測量精度很低，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)中 相位測量所需要的精度；傳統(tǒng)的相關(guān)檢測式相位檢測器雖然精度高，但是只能測量0到180 度之間的相位差，并且測量結(jié)果易受到諧波的干擾；基于FFT的相位檢測器，存在頻譜泄漏 現(xiàn)象，在諧波環(huán)境下相位測試精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字化高精度相位檢 測器，具有高精度、寬量程、寬頻段、操作方便、能工作于諧波環(huán)境的優(yōu)點。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種數(shù)字化高精度相位檢測器，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊10，用于對輸入的第一待測信號al和第二待測信號a2進行模擬數(shù) 字轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對待測信號的數(shù)字化采集，第一數(shù)字采樣結(jié)果bl和第二數(shù)字采樣結(jié)果b2輸出 給濾波器模塊20 ；濾波器模塊20，用于對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊10輸出的第一數(shù)字采樣結(jié)果bl和第二數(shù)字 采樣結(jié)果b2進行帶通濾波，抑制諧波干擾，第一濾波結(jié)果cl和第二濾波結(jié)果c2輸出給相 位差計算模塊30和相位修正模塊40 ；相位差計算模塊30，用于計算濾波器模塊20輸出的第一濾波結(jié)果cl和第二濾波 結(jié)果c2之間的相位差，采用互相關(guān)法來進行相位差計算，相位差計算結(jié)果d輸出給相位修 正模塊40 ；相位修正模塊40，用于判斷濾波器模塊20輸出的第一濾波結(jié)果cl和第二濾波結(jié)果c2之間相位差符號的正負，然后對相位差計算模塊30輸出的相位差計算結(jié)果d進行符 號修正，得到的相位檢測結(jié)果e，并將相位檢測結(jié)果e輸出給相位檢測結(jié)果存儲及顯示模塊 50 ；相位檢測結(jié)果存 儲及顯示模塊50，用于對相位修正模塊40輸出的相位檢測結(jié)果e 進行數(shù)字化存儲及顯示。上述方案中，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊10，包含第一信號調(diào)理101，用于對輸入的第一待測信號al進行信號調(diào)理，使得其幅度在 第一高速AD采樣103所要求的范圍內(nèi)；第二信號調(diào)理102，用于對輸入的第二待測信號a2進行信號調(diào)理，使得其幅度在 第二高速AD采樣104所要求的范圍內(nèi)；第一高速AD采樣103，用于對第一信號調(diào)理101的輸出進行數(shù)字化采集，完成模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換，采樣過程由計算機進行采樣控制；第二高速AD采樣104，用于對第二信號調(diào)理102的輸出進行數(shù)字化采集，完成模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換，采樣過程由計算機進行采樣控制，采樣速率與第一高速AD采樣103保持同步。上述方案中，所述的濾波器模塊20，包含頻率檢測201，用于檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊10輸出的第一數(shù)字采樣結(jié)果bl的頻率，并 輸出給第一帶通濾波器202和第二帶通濾波器203，完成對第一帶通濾波器202和第二帶通 濾波器203的通帶設置；第一帶通濾波器202，用于對第一數(shù)字采樣結(jié)果bl進行帶通濾波，濾波器帶寬由 頻率檢測201輸出結(jié)果進行控制；第二帶通濾波器203，用于對第二數(shù)字采樣結(jié)果b2進行帶通濾波，濾波器帶寬由 頻率檢測201輸出結(jié)果進行控制，第二帶通濾波器203的濾波器設置與第一帶通濾波器202 保持相同。上述方案中，所述的相位差計算模塊30包括第一互相關(guān)計算301、第一自相關(guān)計 算302、第二自相關(guān)計算303、第一開方器304、第二開方器305、乘法器306、除法器307和反 余弦計算308，其中第一互相關(guān)計算301，用于計算濾波器模塊20輸出的第一濾波結(jié)果Cl和第二濾波 結(jié)果c2之間的互相關(guān)值，并將計算結(jié)果輸出給除法器307 ；第一自相關(guān)計算302和第二自相關(guān)計算303分別用于計算第一濾波結(jié)果cl和第 二濾波結(jié)果c2的自相關(guān)值，并將計算結(jié)果分別輸出給第一開方器304和第二開方器305 ；第一開方器304，用于對第一自相關(guān)運算302的輸出結(jié)果進行開方運算，并將運算 結(jié)果輸出給乘法器306;第二開方器305，用于對第二自相關(guān)運算303的輸出結(jié)果進行開方運算，并將運算 結(jié)果輸出給乘法器306;乘法器306，用于對第一開方器304和第二開方器305的輸出結(jié)果進行相乘運算， 并將運算結(jié)果輸出給除法器307 ；除法器307，用于對第一互相關(guān)計算301和乘法器306的輸出結(jié)果進行相除運算， 并將運算結(jié)果輸出給反余弦計算308 ；反余弦計算308，用于對除法器307的輸出結(jié)果進行反余弦計算。
上述方案中，所述的相位修正模塊40，包含第一移位器401，用于對第一濾波結(jié)果Cl進行長度為1的移位；第二移位器402，用于對第二濾波結(jié)果c2進行長度為1的移位；第二互相關(guān)計算403，用于計算第一濾波結(jié)果Cl和第二濾波結(jié)果c2的移位值之間 的互相關(guān)值；第三互相關(guān)計算404，用于計算第二濾波結(jié)果c2和第一濾波結(jié)果Cl的移位值之間 的互相關(guān)值；減法器405，用于對第二互相關(guān)計算403和第三互相關(guān)計算404的輸出結(jié)果進行相 減運算；符號判斷406，通過減法器405的輸出結(jié)果，用于判斷第一濾波結(jié)果Cl和第二濾波 結(jié)果c2之間相位差符號的正負，如果減法器405的輸出結(jié)果大于零，則第一濾波結(jié)果Cl和 第二濾波結(jié)果c2之間相位差符號為正，如果減法器405的輸出結(jié)果小于零，則第一濾波結(jié) 果cl和第二濾波結(jié)果c2之間相位差符號為負；符號修正407，用于對相位差計算模塊30輸出的相位差計算結(jié)果d進行符號修正。(三)有益效果本發(fā)明提供的數(shù)字化高精度相位檢測器，與現(xiàn)有相位檢測器相比，具有如下優(yōu)占.
^ \\\ ·1)、高精度相位精度能夠達到0. 01度，而現(xiàn)有技術(shù)一般只能達到0. 1度。2)、寬量程能夠測量從-180度到180度之間的所有相位差。3)、寬頻段從 IHz 到 50kHz。4)、操作方便數(shù)字化實現(xiàn)，便于調(diào)整。5)、能工作于諧波環(huán)境。


圖1是本發(fā)明提供的數(shù)字化高精度相位檢測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。通過結(jié)合附圖對根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例進行詳細描述，本發(fā)明的其他方面的優(yōu) 點將會變得清楚和更容易理解。本發(fā)明測試相位差的基本原理如下設兩被測信號如下式⑴、(2)所示x(t) = Asin 2 π ft+Nx(t) (1)
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字化高精度相位檢測器，其特征在于，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(10)，用于對輸入的第一待測信號al和第二待測信號a2進行模擬數(shù)字 轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對待測信號的數(shù)字化采集，第一數(shù)字采樣結(jié)果bl和第二數(shù)字采樣結(jié)果b2輸出給 濾波器模塊(20)；濾波器模塊(20)，用于對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(10)輸出的第一數(shù)字采樣結(jié)果bl和第二數(shù)字 采樣結(jié)果b2進行帶通濾波，抑制諧波干擾，第一濾波結(jié)果cl和第二濾波結(jié)果c2輸出給相 位差計算模塊(30)和相位修正模塊(40)；相位差計算模塊(30)，用于計算濾波器模塊(20)輸出的第一濾波結(jié)果cl和第二濾波 結(jié)果c2之間的相位差，采用互相關(guān)法來進行相位差計算，相位差計算結(jié)果d輸出給相位修 正模塊(40)；相位修正模塊(40)，用于判斷濾波器模塊(20)輸出的第一濾波結(jié)果cl和第二濾波結(jié) 果c2之間相位差符號的正負，然后對相位差計算模塊(30)輸出的相位差計算結(jié)果d進行 符號修正，得到的相位檢測結(jié)果e，并將相位檢測結(jié)果e輸出給相位檢測結(jié)果存儲及顯示模 塊(50)；相位檢測結(jié)果存儲及顯示模塊(50)，用于對相位修正模塊(40)輸出的相位檢測結(jié)果e 進行數(shù)字化存儲及顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化高精度相位檢測器，其特征在于，其中所述的模數(shù)轉(zhuǎn) 換模塊(10)，包含:第一信號調(diào)理(101)，用于對輸入的第一待測信號al進行信號調(diào)理，使得其幅度在第 一高速AD采樣(103)所要求的范圍內(nèi)；第二信號調(diào)理(102)，用于對輸入的第二待測信號a2進行信號調(diào)理，使得其幅度在第 二高速AD采樣(104)所要求的范圍內(nèi)；第一高速AD采樣(103)，用于對第一信號調(diào)理(101)的輸出進行數(shù)字化采集，完成模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換，采樣過程由計算機進行采樣控制；第二高速AD采樣(104)，用于對第二信號調(diào)理(102)的輸出進行數(shù)字化采集，完成模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換，采樣過程由計算機進行采樣控制，采樣速率與第一高速AD采樣(103)保持同步。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化高精度相位檢測器，其特征在于，其中所述的濾波器 模塊(20)，包含:頻率檢測(201)，用于檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(10)輸出的第一數(shù)字采樣結(jié)果bl的頻率，并 輸出給第一帶通濾波器(202)和第二帶通濾波器(203)，完成對第一帶通濾波器(202)和第 二帶通濾波器(203)的通帶設置；第一帶通濾波器(202)，用于對第一數(shù)字采樣結(jié)果bl進行帶通濾波，濾波器帶寬由頻 率檢測(201)輸出結(jié)果進行控制；第二帶通濾波器(203)，用于對第二數(shù)字采樣結(jié)果b2進行帶通濾波，濾波器帶寬由頻 率檢測(201)輸出結(jié)果進行控制，第二帶通濾波器(203)的濾波器設置與第一帶通濾波器 (202)保持相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化高精度相位檢測器，其特征在于，其中所述的相位差 計算模塊(30)包括第一互相關(guān)計算(301)、第一自相關(guān)計算(302)、第二自相關(guān)計算(303)、 第一開方器(304)、第二開方器(305)、乘法器(306)、除法器(307)和反余弦計算(308)，其中 第一互相關(guān)計算(301)，用于計算濾波器模塊(20)輸出的第一濾波結(jié)果cl和第二濾波 結(jié)果c2之間的互相關(guān)值，并將計算結(jié)果輸出給除法器(307)；第一自相關(guān)計算(302)和第二自相關(guān)計算(303)分別用于計算第一濾波結(jié)果cl和 第二濾波結(jié)果c2的自相關(guān)值，并將計算結(jié)果分別輸出給第一開方器(304)和第二開方器 (305)；第一開方器(304)，用于對第一自相關(guān)運算(302)的輸出結(jié)果進行開方運算，并將運算 結(jié)果輸出給乘法器(306)；第二開方器(305)，用于對第二自相關(guān)運算(303)的輸出結(jié)果進行開方運算，并將運算 結(jié)果輸出給乘法器(306)；乘法器(306)，用于對第一開方器(304)和第二開方器(305)的輸出結(jié)果進行相乘運 算，并將運算結(jié)果輸出給除法器(307)；除法器(307)，用于對第一互相關(guān)計算(301)和乘法器(306)的輸出結(jié)果進行相除運 算，并將運算結(jié)果輸出給反余弦計算(308)；反余弦計算(308)，用于對除法器(307)的輸出結(jié)果進行反余弦計算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化高精度相位檢測器，其特征在于，其中所述的相位修 正模塊(40)，包含:第一移位器(401)，用于對第一濾波結(jié)果cl進行長度為1的移位； 第二移位器(402)，用于對第二濾波結(jié)果c2進行長度為1的移位； 第二互相關(guān)計算(403)，用于計算第一濾波結(jié)果cl和第二濾波結(jié)果c2的移位值之間的 互相關(guān)值；第三互相關(guān)計算(404)，用于計算第二濾波結(jié)果c2和第一濾波結(jié)果cl的移位值之間的 互相關(guān)值；減法器(405)，用于對第二互相關(guān)計算(403)和第三互相關(guān)計算(404)的輸出結(jié)果進行 相減運算；符號判斷(406)，通過減法器(405)的輸出結(jié)果，用于判斷第一濾波結(jié)果cl和第二濾波 結(jié)果c2之間相位差符號的正負，如果減法器(405)的輸出結(jié)果大于零，則第一濾波結(jié)果cl 和第二濾波結(jié)果c2之間相位差符號為正，如果減法器(405)的輸出結(jié)果小于零，則第一濾 波結(jié)果cl和第二濾波結(jié)果c2之間相位差符號為負；符號修正(407)，用于對相位差計算模塊(30)輸出的相位差計算結(jié)果d進行符號修正。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字化高精度相位檢測器，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(10)、濾波器模塊(20)、相位差計算模塊(30)、相位修正模塊(40)和相位檢測結(jié)果存儲及顯示模塊(50)。本發(fā)明提供的數(shù)字化高精度相位檢測器，具有精度高、量程寬、頻段寬、操作方便等優(yōu)點，能工作于諧波環(huán)境。
文檔編號G01R25/00GK102043091SQ20091023638
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者何俊, 劉育梁, 李芳 申請人:中國科學院半導體研究所