CN101487764A - 微小相位误差的键相信号倍频器 - Google Patents

Abstract

一种微小相位误差的键相信号倍频器。包括键相信号预处理电路、键相零相位位置测定电路、键相信号频率测量电路、倍频脉冲发生电路和基准时钟电路。所述键相零相位位置测定电路采用基准时钟二分频脉冲信号记录键相脉冲信号的脉冲宽度，精确测定键相零相位位置，保证零相位位置误差小于1个时钟脉冲宽度，消除键相信号倍频器产生N倍倍频脉冲信号的相位误差；键相信号频率测量电路可产生键相信号N倍频个脉冲采样信号；特别适用于大型旋转机械故障诊断中对旋转机械轴的径向位移和振动量的数值测量的整周期采样中，确定旋转机械轴的键相零相位位置，产生整周期采样的N个倍频采样脉冲信号。

Description

微小相位误差的键相信号倍频器

技术领域

本发明涉及一种倍频器，具体的涉及一种微小相位误差的键相信号倍频器。适用于大型旋转机械径向位置和振动量数值测试中整周期采样，确定旋转机械轴的键相零相位位置，产生整周期采样的N个倍频采样脉冲信号。

背景技术

中国专利(专利号：ZL200310109517.6)提供一种《精确测量相位的嵌入式数据采集器》，在该专利中，其倍频信号的产生只记录了键相信号的频率对其倍频，而没有测定键相的位置，从而会使产生的倍频脉冲信号位置与键相零相位位置之间存在的误差，其误差大小取决于键相信号的脉冲占空比。

在大型旋转机械中，键相信号的主要作用是用来测量旋转机械的转速和产生整周期采样的N个倍频采样脉冲信号，用于旋转机械径向位移和振动量测量整周期(采样A/D信号)的触发脉冲。在大型旋转机械的故障诊断中，对旋转机械轴的径向位移和振动量的整周期采样，要求采样点在轴上均布，且每次的采样有固定的相位位置。目前，一般整周期采样基准信号的产生是以键相槽为零相位位置，来采集键相信号，通过对键相信号的倍频，实现倍频数的整周期采样脉冲信号。但是由于键相信号采集电路和倍频方式等各种原因，并不能做到每次采样的位置固定，所产生的N个倍频采样脉冲信号与实际零相位位置间存在有相位位置误差。引起相位误差的主要因素有两个方面：1.键相信号相对键槽中心存在相位误差；2.键相周期和采样周期的整倍数间存在误差。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种微小相位误差的键相信号倍频器(这里所指的微小相位差是指键相信号倍频器产生的整周期采样脉冲信号与采样固定位置之间的相位误差)。

为了达到上述的目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的微小相位误差的键相信号倍频器，包括键相信号预处理电路，分别与键相信号预处理电路输出端相连接的键相零相位位置测定电路和键相信号频率测量电路，与键相零相位位置测定电路和键相信号频率测量电路两输出端相连接的倍频脉冲发生电路，分别连接到键相零相位位置测定电路、键相信号频率测量电路和倍频脉冲发生电路的基准时钟电路；所述的键相信号经过键相信号预处理电路的隔直电流、鉴相和整形预处理后输出键相脉冲信号；其输出的键相脉冲信号分为两路，一路进入键相零相位位置测定电路中，键相零相位位置测定电路与基准时钟电路的脉冲信号同步处理，采用基准时钟二分频时钟脉冲信号记录键相脉冲信号的脉冲宽度，生成键相零相位位置脉冲信号输出到倍频脉冲发生电路中；键相脉冲信号另一路进入键相信号频率测量电路，键相信号频率测量电路与基准时钟电路的脉冲信号同频处理，采用基准时钟电路N>1倍分频脉冲信号记录键相脉冲信号的频率，其锁存累加的键相信号频率脉冲的个数输出到倍频脉冲发生电路中；倍频脉冲发生电路接收键相零相位位置测定电路输入的键相零相位位置脉冲信号和键相信号频率脉冲输入的键相信号频率脉冲的个数经过减法运算，产生N>1个倍频脉冲信号。

本发明微小相位误差的键相信号倍频器有显著的进步。

●如上述的结构，本发明的键相信号倍频器内包括键相零相位位置测定电路，采用了基准时钟二分频脉冲信号记录键相脉冲信号的脉冲宽度，能精确测定键相零相位位置，可保证零相位位置误差小于1个时钟基准频率脉冲宽度，在一个键相信号周期中输出N等分倍频脉冲信号，可保证每次倍频脉冲位置固定，并只含微小的相位误差。倍频脉冲信号频率误差小于N个时钟基准脉冲频率宽度，可保证整周期采样的N个倍频采样脉冲信号与数据固定采样位置之间存在微小的相位误差(小于1个时钟基准频率脉冲宽度)。消除键相信号倍频器产生N倍倍频脉冲信号的相位误差。

●如上述的结构，本发明的键相信号倍频器内包括键相信号预处理电路首先对输入的键相信号进行隔直电流、鉴相和整形的处理，可以有效地消除由键相信号直流分量波动引起的相位误差。

●如上述的结构，本发明的键相信号倍频器内包括键相信号频率测量电路，采用了基准时钟电路N倍分频脉冲信号记录键相脉冲信号的频率，可产生键相信号N倍频个脉冲采样信号；

●如上述的结构，本发明的微小相位误差的键相信号倍频器内包括的基准时钟电路，可采用带有多路选择器的分频电路，可改变微小相位误差的键相信号倍频器所产生的N倍频脉冲采样信号的N倍倍频个数。

●如上述结构的本发明键相信号倍频器是以大型旋转机械为对象，对大型旋转机械的键相信号，提供了测定键相零相位位置和产生大型旋转机械旋转频率的N倍倍频脉冲信号的实现装置。特别适用于大型旋转机械故障诊断中对旋转机械轴的径向位移和振动量的数值测量的整周期采样，确定旋转机械轴的键相零相位位置，产生整周期采样的N个倍频采样脉冲信号。

附图说明

图1是本发明键相信号倍频器一实施例的结构示意图；

图2是本发明键相信号倍频器的倍频原理示意图；

图3是本发明键相信号倍频器中键相信号预处理电路一实施例的结构示意图；

图4是本发明键相信号倍频器中键相零相位位置测定电路一实施例的结构示意图；

图5是本发明键相信号倍频器中键相信号频率测量电路一实施例的结构示意图；

图6是本发明键相信号倍频器中基准时钟电路一实施例的结构示意图。

具体实施方式

参照以上附图，提供下述实施例。通过实施例将有助于理解本发明的结构特征，但不限制本发明的内容。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种微小相位误差的键相信号倍频器。

图1是本发明键相信号倍频器一实施例的结构示意图。如图1所示，本发明的键相信号倍频器，包括键相信号预处理电路1，与键相信号预处理电路1输出端相连接的键相零相位位置测定电路2和键相信号频率测量电路3，与键相零相位位置测定电路2和键相信号频率测量电路3两输出端相连接的倍频脉冲发生电路4，分别连接到键相零相位位置测定电路2、键相信号频率测量电路3和倍频脉冲发生电路4的基准时钟电路5。

如图2所示，01曲线是涡流传感器采集的键相信号；02为键相信号预处理电路处理后的键相脉冲信号；03为清零脉冲；04为锁存脉冲；05为按二分计算，上升沿脉冲和下降沿脉冲；06为脉冲信号个数K1、K2，其中K1为键相信号脉冲宽度中记录基准的二分频脉冲信号个数，K2为一个键相脉冲信号中记录基准时钟的N(N>1)倍频分类后脉冲信号个数；07为基准时钟电路输出的基准时钟脉冲；08为键相零相位位置测定电路输出的键相零相位脉冲；09为倍频脉冲发生电路输出的键相倍频脉冲信号。

如图2所示，本发明键相信号倍频器的键相零相位位置测定电路采用基准时钟二分频脉冲信号为累加计数脉冲，记录键相信号脉冲宽度中包含基准时钟二分频率脉冲信号的脉冲个数K1，以基准时钟频率信号为减计数脉冲，在下一个键相脉冲的上升沿开始，每个基准时钟脉冲K1计数值减去1，K1减为零位置测定为键相零相位位置。

图3为键相信号预处理电路一实施例的结构示意图。如图3所示，所述键相信号预处理电路1包括隔直分压电路101，与隔直分压电路101输出端相连接的电压鉴别电路102，与电压鉴别电路102输出端相连接的键相信号整形电路103。

在本实施例中，如图3所示，键相信号预处理电路1中的隔直分压电路101包括电容C10构成的隔直电路；四位选择开关S10，电阻R10、R11、R12、R13、R14构成的可调分压电路；运算放大器U10A构成的电压跟随器。

在本实施例中，如图3所示，所述电压鉴别电路102包括电阻R15、R21，二极管D10，电容C11构成的峰值保持器；信号比较器U11，电阻R18、R19、R20、R22构成电压鉴定电路。

在本实施例中，如图3所示，所述键相信号整形电路103包括电阻R16，稳压管D11构成的限幅电路；施密特触发器U12A构成的键相信号整形电路；电阻R17，发光二极管LED10构成的键相信号指示电路。

图4为键相零相位位置测定电路一实施例的结构示意图，如图4所示，

所述键相零相位位置测定电路2包括输入端与键相信号预处理电路1中键相信号整形电路103输出端相连接的键相信号边沿触发电路201，与键相信号边沿触发电路201输出端相连接的键相脉冲宽度计数电路202和键相零相位位置脉冲信号产生电路203。

在本实施例中，如图4所示，键相零相位位置测定电路2的键相信号边沿触发电路201包括电阻R34，电容C30单稳态触发器U35A和与非门U36A构成的键相信号上升沿触发脉冲电路；电阻R35，电容C31单稳态触发器U35B和与非门U36B构成的键相信号下降沿触发脉冲电路。

在本实施例中，如图4所示，键相宽度计数电路202包括带输出锁存计数器U31构成的16位加法计数器；键相零相位位置脉信号产生电路203包括可预置数减法计数器U32构成的16位减法计数器，触发器U34B控制减法计数器，触发器U34A产生键相零相位位置脉信号。

图5为键相信号频率测量电路一实施例的结构示意图。如图5所示，所述键相信号频率测量电路3包括输入端与键相信号预处理电路1中键相信号整形电路103输出端相连接的键相信号同频电路301，与键相信号同频电路301输出端相连接的键相周期加法计数电路302。

在本实施例中，如图5所示，键相信号同频电路301包括电阻R24，电容C20，单稳态触发器U27A和与非门U28A构成的键相信号频率测量的24位累加器同步计数锁存脉冲电路；电阻R25，电容C21单稳态触发器U27B和与非门U28B构成的键相信号频率测量的24位累加器计数清零脉冲电路。

在本实施例中，如图5所示，所述键相信号频率计数电路302包括带输出锁存的计数器U20构成的24位累加计数器。

如上述的结构，键相信号频率测量电路3包括键相信号频率测量的24位累加器同步计数锁存脉冲和24位累加器计数清零脉冲，

图6为基准时钟电路一实施例的结构示意图。如图6所示，基准时钟电路5包括晶振电路501，与晶振电路501输出端相连接的分频电路502，与分频电路502输出端相连接的可选频电路503。

在本实施例中，如图6所示，基准时钟电路5的晶振电路501包括电阻R61、R62、R63、R64，电容C60，非门U60A、U60B、U60C和晶体振荡器XTAL60构成的倍频器基准脉冲发生电路。

在本实施例中，如图6所示，所述分频电路502包括加法计数器U61实现对基准脉冲的2分频、4分频、8分频、16分频、32分频、64分频、128分频、256分频。

在本实施例中，如图6所示，可选频电路503包括四选一数据选择器U62，电阻R65、R66，二位选择开关S60构成四选一选频电路。可选择微小相位误差的键相信号倍频器输出N个倍频脉冲信号的倍频数N。

如上述的图1、2、3、4、5、6所示，键相信号预处理电路1的输入端接外部电涡流传感器，电涡流传感器采集到的键相信号接入分压比可调的隔直分压电路101，分压后信号经电压跟随器，峰值电压保持器接入电压鉴别电路102，与鉴相电压比较后接入输出电压跟随器U10D，电压钳位电路R16和D11和施密特触发器U12A，键相信号在键相信号预处理电路1中经隔直电流鉴相、整形后输出键相脉冲信号。

预处理后的键相脉冲信号分二路，一路接入键相零相位位置测定电路2的键相信号边沿触发电路201，经与基准时钟脉冲信号同步处理，生成键相脉冲的上升沿同步触发脉冲和下降沿同步触发脉冲，上升沿同步触发脉冲控制16位累加器U31开始累加计录基准时钟脉冲的二分频时钟脉冲的个数，下降沿同步触发脉冲锁存16位累加器U31中累加的脉冲个数，并输出到16位减法计数器U32中作被减数的预置数，以基准时钟脉冲信号作减数，由下一个周期的键相脉冲的上升沿同步触发脉冲触发开始相减，在16位减法计数器被减到零时产生溢出信号，经触发器产生键相零相位位置脉冲信号，确定零相位位置。键相零相位位置测定电路生成的键相零相位位置脉信号输出到倍频脉冲发生电路4。

预处理后的键相脉冲信号另一路接入键相信号频率测量电路3的单稳态触发器U27，经与基准时钟脉冲同频处理，生成键相信号频率测量的24位累加器同步计数锁存脉冲和24位累加器同步计数清零脉冲，24位累加器同步计数清零脉冲控制24位累加器U22开始累加每个键相周期内基准时钟脉冲经N倍频数分频后脉冲信号个数，24位累加器同步计数锁存脉冲锁存在24位累加器中累加的脉冲个数，用24位累加器中累加的脉冲个数记录键相信号的频率，键相信号频率测量电路3中锁存的24位累加器中累加的键相信号频率脉冲个数输出到倍频脉冲发生电路4。

所述倍频脉冲发生电路4中包括24位可预置减法计数器和控制触发器。

键相信号频率测量电路24位累加器中的键相信号频率脉冲个数被预置入倍频脉冲发生电路中的24位可预置减法计数器，键相零相位位置脉冲信号输入倍频脉冲发生电路中的控制触发器触发可预置减法计数器开始减法运算，减去基准时脉冲数，可预置减法计数器每减到零时输出一个倍频脉冲信号，并重新置数，直到下一个键相信号频率脉冲个数被锁存，下一个键相零相位位置脉冲信号触发又一个键相脉冲信号内产生N个倍频脉冲信号。

Claims (5)

1.一种微小相位误差的键相信号倍频器，其特征在于包括键相信号预处理电路，分别与键相信号预处理电路输出端相连接的键相零相位位置测定电路和键相信号频率测量电路，与键相零相位位置测定电路和键相信号频率测量电路两输出端相连接的倍频脉冲发生电路，分别连接到键相零相位位置测定电路、键相信号频率测量电路和倍频脉冲发生电路的基准时钟电路；所述的键相信号经过键相信号预处理电路的隔直电流、鉴相和整形预处理后输出键相脉冲信号；其输出的键相脉冲信号分为两路，一路进入键相零相位位置测定电路中，键相零相位位置测定电路与基准时钟电路的脉冲信号同步处理，采用基准时钟二分频时钟脉冲信号记录键相脉冲信号的脉冲宽度，生成键相零相位位置脉冲信号输出到倍频脉冲发生电路中；键相脉冲信号另一路进入键相信号频率测量电路，键相信号频率测量电路与基准时钟电路的脉冲信号同频处理，采用基准时钟电路N>1倍分频脉冲信号记录键相脉冲信号的频率，其锁存累加的键相信号频率脉冲的个数输出到倍频脉冲发生电路中；倍频脉冲发生电路接收键相零相位位置测定电路输入的键相零相位位置脉冲信号和键相信号频率脉冲输入键相信号频率脉冲的个数经过减法运算，产生N>1个倍频脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的微小相位误差的键相信号倍频器，其特征在于所述键相信号预处理电路包括隔直分压电路，与隔直分压电路输出端相连接的电压鉴别电路，与电压鉴别电路输出端相连接的键相信号整形电路。

3.根据权利要求1或2所述的微小相位误差的键相信号倍频器，其特征在于所述键相零相位位置测定电路包括输入端与键相信号预处理电路中键相信号整形电路输出端相连接的键相信号边沿触发电路，与键相信号边沿触发电路输出端相连接的键相脉冲宽度计数电路和键相零相位位置脉冲信号产生电路。

4.根据权利要求1或2所述的微小相位误差的键相信号倍频器，其特征在于所述键相信号频率测量电路包括输入端与键相信号预处理电路中键相信号整形电路输出端相连接的键相信号同频电路，与键相信号同频电路输出端相连接的键相周期加法计数电路。

5.根据权利要求1所述的微小相位误差的键相信号倍频器，其特征在于所述基准时钟电路包括晶振电路，与晶振电路输出端相连接的分频电路，与分频电路输出端相连接的可选频电路。

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