CN101059542A - 利用固定相移来测量同频信号相位差的方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号处理技术领域，特别是一种利用固定相移来测量同频信号相位差的方法及电路。方法包括将两个同频率的正弦信号，即基准信号与测量信号分别经过相同的相移，与原信号一起整形后成为矩形波信号，将得到的两个矩形波信号做异或操作得到脉冲信号，脉冲信号的宽度即为基准信号的过零点与测量信号的过零点之时间差，将其换算即为被测相位差值。矩形波信号的生成电路，包括移相电路部分、比较电路部分和TTL转换电路部分。本发明避免了运算放大器的温漂带来的零点漂移问题，能够快速实现矩形波信号的置位和复位，不受信号幅度的影响，能够应用到需要同频率周期信号相位差测量的各个领域中。

Description

利用固定相移来测量同频信号相位差的方法及电路

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别是一种利用固定相移来测量同频信号相位差的方法及电路。

背景技术

同频率周期信号的相位差测量在信号分析、电路参数测试、电工技术、工业自动化、智能控制、通信及电子技术等许多领域都有着广泛的应用，如交流电路中阻抗角的计算、电能计量中功率因数角的确定等。

相位差的测量方法较多：传统的依靠模拟器件的方法，如矢量法、二极管鉴相法、脉冲计数法等，测量系统复杂，需要专用器件，硬件成本高；近年来，计算机和数字信号处理技术取得长足进步，相位差测量逐渐向数字化方向发展，数字化测量的优点在于硬件成本低、适应性强，对于不同的测量对象只需改变程序的算法，且精度一般优于模拟式测量。

相位差数字化测量方法按实现途径可分为硬件法和软件法两大类。硬件法通过硬件电路测量两个信号的周期及初相位的时间差，由软件将时间差变换为相位差显示，需要对两个同频率等幅正弦信号的瞬时值同时采样，如矢量法、乘法器法及各种鉴相法。软件法按照信号处理的方式分类，可分为两大类：一类是时域处理方法，即信号的所有处理都是在时域内进行，如取样积分方法和互相关方法；另一类是频域处理方法，即将信号变换到频域，然后按照信号的频谱特性对信号进行处理，如DFT法。

时域处理方法的本质在于两个同频率的正弦信号的相位差可以用它们相应的过零点的时间差来表征，其最大优点是信号处理方法简单、直观、物理意义明显、易于用硬件实现，缺点是效率低，估计值的精确度依赖于观测值的长度，仅能对单正弦信号进行估计。当信号受谐波或噪声干扰时，过零点法的相位差测量误差将会很大；基于数字相关原理的相位差测量方法有很好的噪声抑制能力，但该方法要求对周期信号实行严格整周期采样，且难以消除谐波干扰；基于自适应带通滤波器和测量信道交换技术的相位差测量方法虽然能部分的消除谐波或噪声的干扰，但它只适合于低频信号相位差的测量。

基于DFT的频域估算方法，充分利用了DFT对信噪比的改善作用，克服了时域方法要求较高信噪比的缺点，能有效地抑制噪声，提高测量精度。对信号进行DFT处理时，由于只对有限个时域信号样本值进行处理，即信号函数在时域被矩形函数加窗截短，FFT和谱分析也只能在有限区间内进行，这就不可避免地存在由于时域截断产生的能量泄漏，使谱峰值变小，频率和相角偏移真实值，测量精度降低，在频域中产生较大的旁瓣分量，即为DFT的泄漏效应。总的来说，由于傅里叶变换实际上是一种时域与频域的映射关系，在理论上是没有相位差测量误差的，测量误差主要来源于信号时域的截断效应、实际信号间的频率偏差以及受到谐波或噪声的干扰而产生的误差。DFT法一般认为也需要严格整周期采样，否则其精度受频谱泄漏和栅栏效应影响。此外，该方法也易受谐波干扰。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有测量方法的不足，在过零点法的基础之上，提出一种新的在时域处理测量相位差问题的方式。采用本发明，可以排除过零干扰的缺陷，快速实现矩形波信号的置位和复位，并且不用考虑信号幅度对测量的影响。

本发明的技术方案是：

一种利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，将两个同频率的正弦信号，即基准信号与测量信号分别经过相同的相移，与原信号一起整形后成为矩形波信号，其前后沿对应于原信号与其移相信号的正向交点和负向交点，整形时不判断信号的过零问题，避免了运算放大器的温漂带来的零点漂移问题；固定相移后两个信号相交时的幅值分别处于上升状态和下降状态，快速实现矩形波信号的置位和复位，信号边缘干净。将得到的两个矩形波信号做异或操作得到脉冲信号，脉冲信号的宽度即为基准信号的过零点与测量信号的过零点之时间差，将其换算即为被测相位差值。

所述的利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，其中整形矩形波信号的过程是，矩形波信号的前后沿对应于原信号与其移相信号的正向交点和负向交点，整形时不判断信号的过零问题，避免了运算放大器的温漂带来的零点漂移问题；固定相移后两个信号相交时的幅值分别处于上升状态和下降状态，快速实现矩形波信号的置位和复位，信号边缘干净；矩形波信号位置与信号幅度无关，即本发明测量相位差不受到信号幅度的影响。

一种利用固定相移来测量同频信号的相位差的矩形波信号生成电路，包括串联的三部分电路，分别为移相电路部分、比较电路部分和TTL转换电路部分，移相电路、比较电路和TTL转换电路串联，使用两个完全相同的矩形波信号生成电路，其中一个输入为基准信号，另一个输入为测量信号，将两个输出信号其中一个取反和另外一个相与，实现异或的逻辑，得到的脉冲信号的宽度即为所测量的相位差。

先将基准信号做固定相移，在一个周期内基准信号与其移相信号的正向交点和负向交点做为矩形波信号的上升沿和下降沿，得到测量相位差所需的矩形波信号。两信号的交点位置不受信号幅度影响，可以证明如下：

设初相为零的基准信号为f(t)＝A sin(ωt)，相移Δ后得到的移相信号为g(t)＝A sin(ωt+Δ)，设在Δt时刻两信号相交，有

      f(Δt)-g(Δt)＝0                    (1)

但因为运算放大器存在失调电压d，故(1)式变为

      f(Δt)-g(Δt)＝d                    (2)

推导化简过程如下：

A sin(ωΔt)-A sin(ωΔt+Δ)＝d         (3)

一般地，信号幅度A的范围为1V～10V；失调电压d反应了运算放大器中电路的对称程度和电平配合情况，范围为1mV～10mV，如取d＝1mv；相移Δ的大小是可以通过移相电路严格控制的，

如取Δ＝0.1π，经考查可知

故

其中O(A)为幅度A的高阶项

从式(10)可以看出相移Δ相同时，相交时间Δt与幅度A无关，即Δt只与Δ有关。

对测量信号进行和基准信号相同的操作，得到另一个矩形波信号。将两矩形波信号做异或操作，得到脉冲波形的宽度即为所测量的相位差。

本发明优点

1.由于判断整形得到的矩形波信号的起止问题都不是判断信号的过零问题，故避免了运算放大器的温漂带来的零点漂移问题。

2.由于固定相移后，两个信号相交时的幅值分别处于上升状态和下降状态，相交速度快，故能够快速实现矩形波信号的置位和复位，生成的矩形波信号边缘干净。

3.由于式(10)的证明过程，本发明测量相位差不受到信号幅度A的影响。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图及实施案例对本发明详细说明如后，其中：

图1：本发明和传统过零点法原理比较示意图。

图2：移相电路示意图。

图3：比较电路示意图。

图4：TTL转换电路示意图。

具体实施方式

如图1，为本发明和传统过零点法原理比较示意图。传统过零点法中，两个同频率的正弦信号，即基准信号与测量信号的相位差可以用它们相应的过零点的时间差来表征，直接通过判断过零点将信号整形为矩形波信号，再将得到的两个矩形波信号做异或操作得到脉冲信号，脉冲信号的宽度即为被测相位差值。本发明中，将基准信号与测量信号分别经过相同的相移，与原信号一起整形后成为矩形波信号，其前后沿对应于原信号与其移相信号的正向交点和负向交点。将得到的两个矩形波信号做异或操作得到脉冲信号，脉冲信号的宽度即为基准信号的过零点与测量信号的过零点之时间差，将其换算即为被测相位差值。基准信号(或测量信号)f(t)与其移相信号g(t)在Δt时刻相交，交点位置不受信号幅度影响，其证明参见本发明的技术解决方案部分。

如图2，为移相电路。其连接关系是：基准信号或测量信号与电阻R1相连，再与运算放大器的同相输入端相连，基准信号或测量信号与电阻R2相连，再与运算放大器的反相输入端相连，R3作为反馈电阻，与运算放大器的输出端和反相输入端相连，电容C接地。运算放大器的输出为移相后的基准信号或测量信号，其相移Δ可以严格控制，仅依赖于电阻R1和电容C，

放大倍数K＝1。

如图3，为比较电路。其连接关系是：运算放大器开环使用做比较器，基准信号或测量信号与运算放大器的同相输入端相连，移相后的基准信号或测量信号与运算放大器的反相输入端相连，输出端信号为两信号相交得到的矩形波信号。这种结构有共模抑制的作用，同时存在于基准信号与测量信号上的干扰不会影响电路的输出结果。

如图4，为TTL转换电路。其连接关系是：比较器的同相输入端接稳压二极管PZK1和PZK2然后接地，反相输入端接电阻R4然后接地，R5作为反馈电阻，与比较器的输出端和反相输入端相连，输出信号为转换后的矩形波信号，幅度为0V～5V。这种结构模拟了磁滞回线的原理，同相输入端和反相输入端的参考电压并非相等且等于零，而是各自朝正向和负向偏离了一点，保证了进行电平转换时不会收到微小波动的干扰。

将图2、图3、图4串联起来得到矩形波信号生成电路，使用两个完全相同的此电路，其中一个输入为基准信号，另一个输入为测量信号，将两个输出信号其中一个取反和另外一个相与，实现异或的逻辑功能，得到的脉冲信号的宽度即为所测量的相位差。

Claims (6)

1.一种利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，其特征是：将两个同频率的正弦信号，即基准信号与测量信号分别经过相同的相移，与原信号一起整形后成为矩形波信号，将得到的两个矩形波信号做异或操作得到脉冲信号，脉冲信号的宽度即为基准信号的过零点与测量信号的过零点之时间差，将其换算即为被测相位差值。

2.如权利要求1所述的利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，其特征是：其中整形矩形波信号的过程是，矩形波信号的前后沿对应于原信号与其移相信号的正向交点和负向交点，整形时不判断信号的过零问题，避免了运算放大器的温漂带来的零点漂移问题；固定相移后两个信号相交时的幅值分别处于上升状态和下降状态，快速实现矩形波信号的置位和复位，信号边缘干净；矩形波信号位置与信号幅度无关，即本发明测量相位差不受到信号幅度的影响。

3.一种利用固定相移来测量同频信号的相位差的矩形波信号生成电路，其特征是：包括串联的三部分电路，分别为移相电路部分、比较电路部分和TTL转换电路部分，移相电路、比较电路和TTL转换电路串联，使用两个完全相同的矩形波信号生成电路，其中一个输入为基准信号，另一个输入为测量信号，将两个输出信号其中一个取反和另外一个相与，实现异或的逻辑，得到的脉冲信号的宽度即为所测量的相位差。

4.如权利要求3所述的利用固定相移来测量同频信号的相位差的矩形波信号生成电路，其特征是：移相电路部分，基准信号或测量信号与电阻R1相连，再与运算放大器的同相输入端相连，基准信号或测量信号与电阻R2相连，再与运算放大器的反相输入端相连，R3作为反馈电阻，与运算放大器的输出端和反相输入端相连，电容C接地，运算放大器的输出为移相后的基准信号或测量信号，其相移Δ可以严格控制，仅依赖于电阻R1和电容C，放大倍数K＝1。

5.如权利要求3所述的利用固定相移来测量同频信号的相位差的矩形波信号生成电路，其特征是：比较电路部分，有共模抑制的作用，同时存在于基准信号与测量信号上的干扰不会影响电路的输出结果；运算放大器开环使用做比较器，基准信号或测量信号与运算放大器的同相输入端相连，移相后的基准信号或测量信号与运算放大器的反相输入端相连，输出端信号为两信号相交得到的矩形波信号。

6.如权利要求3所述的利用固定相移来测量同频信号的相位差的矩形波信号生成电路，其特征是：TTL转换电路部分，模拟磁滞回线的原理，同相输入端和反相输入端的参考电压并非相等且等于零，而是各自朝正向和负向偏离了一点，保证了进行电平转换时不会收到微小波动的干扰；比较器的同相输入端接稳压二极管PZK1和PZK2然后接地，反相输入端接电阻R4然后接地，R5作为反馈电阻，与比较器的输出端和反相输入端相连，输出信号为转换后的矩形波信号，幅度为0V～5V。

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