CN101702617A

CN101702617A - 高精度±180°数字鉴相方法及其实施装置

Info

Publication number: CN101702617A
Application number: CN200910070992A
Authority: CN
Inventors: 段发阶; 欧阳涛; 李孟麟; 欧冰洁
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Good test (Tianjin) Technology Co., Ltd.
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2010-05-05
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: CN101702617B

Abstract

本发明是关于信号相位差的检测方法和装置，具体讲，是关于基于数字鉴相原理的高精度±180°数字鉴相方法及其实施装置。为提供一种能对信号进行辨向，并能降低随机误差的高精度±180°数字鉴相装置，本发明采用的技术方案是：包括：用于实现信号辨向并产生相位方波的±180°鉴相模块；用于将所述相位方波分频，取得数个脉冲宽度信号并输出到计数平均模块的分频器；计数平均模块用于将分频器选取的数个脉冲宽度信号分别进行计数，并求得单个脉宽计数平均值。本发明主要用于电力系统中功率因数的测量、铁路系统中相敏轨道电路相位差的测量、超声波隧道风速测量以及科氏质量流量计中的相位差测量等信号的相位检测。

Description

高精度±180°数字鉴相方法及其实施装置

技术领域

本发明是关于信号相位差的检测方法，更具体地说，本发明是关于基于数字鉴相原理的高精度±180°数字鉴相方法及其实施装置。

技术背景

目前，相位检测技术已经迅速发展并广泛应用于各种测控工程当中，如电力系统中功率因数的测量、铁路系统中相敏轨道电路相位差的测量、超声波隧道风速测量以及科氏质量流量计中的相位差测量等等。比较典型的相位检测方法有：相乘法、矢量法、数值取样法、过零鉴相法等。各种鉴相方法应用条件、测量范围、测量精度以及复杂程度都各有不同。相乘法是根据同频率的两个正弦信号通过乘法器、滤波电路得到直流电压，由直流电压表测量显示；矢量法是根据两个同频等幅的正弦信号相减后得到与

(

为相位差)成正比的矢量差的模求得相位差值，以上两种方法的不足之处是实现电路复杂，对元器件要求高，鉴相范围只有±90°。数值取样法是通过等时间间隔连续采样少数点即可计算出相位，其不足之处是软件实现方面要求高，且时间间隔的控制比较繁杂。过零鉴相法是通过测量两信号过零点的时间间接获得相位差，根据产生脉冲方式不同，主要分为门电路鉴相法和触发器鉴相法。门电路鉴相法的不足之处是只能实现0-180°范围内的鉴相，无法对信号进行辨向；触发器鉴相法的不足之处在于存在填充脉冲一个周期内的随机误差。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能对信号进行辨向，并能降低随机误差的高精度±180°数字鉴相方法及其实施装置。

本发明采用的技术方案是：一种高精度±180°数字鉴相方法，包括下列步骤：

使待鉴相信号通过±180°鉴相模块实现信号辨向，并产生相位方波，相位方波的脉冲宽度大小代表着信号相位差的大小；通过分频器选取相位方波中数个脉冲宽度由计数平均模块分别进行计数，并且求得单个脉宽计数平均值，由该值精确计算出相位差的大小。

所述的使待鉴相信号通过±180°鉴相模块实现信号辨向，并产生相位方波是，由两个非门和两个D触发器构成鉴相模块，使两路待鉴相信号中的一路输入一个D触发器的时钟端，并通过一个非门输入另一个D触发器的D端；使两路待鉴相信号中的另一路输入所述另一个D触发器的时钟端，并通过另一个非门输入所述一个D触发器的D端。

所述的由计数平均模块分别进行计数，并且求得单个脉宽计数平均值是，利用用高频时钟对相位方波进行脉冲填充计数，求相位方波的多个脉冲宽度对应的计数值的平均值。

一种高精度±180°数字鉴相装置，包括：用于实现信号辨向并产生相位方波的±180°鉴相模块4；用于将所述相位方波分频，取得数个脉冲宽度信号并输出到计数平均模块6的分频器5；计数平均模块6用于将分频器选取的数个脉冲宽度信号分别进行计数，并求得单个脉宽计数平均值。

所述的±180°鉴相模块4主要由两个非门和两个D触发器构成，两路待鉴相信号中的一路输入一个D触发器的时钟端，并通过一个非门输入另一个D触发器的D端；两路待鉴相信号中的另一路输入所述另一个D触发器的时钟端，并通过另一个非门输入所述一个D触发器的D端，所述两个D触发器分别输出到分频器5。

所述的分频器5是将输入信号频率进行M倍分频，选取相位方波中M个相位脉冲。

所述的计数平均模块6是由计数器及数据处理部分构成，利用用高频时钟对相位方波进行脉冲填充计数，求相位方波的多个脉冲宽度对应的计数值的平均值。

本发明具有如下技术效果：

本发明采用±180°鉴相模块实现了信号辨向，并且使相位测量范围达到±180°。采用对多脉冲宽度进行计数并平均的方法，大大提高了相位测量精度。本发明结构简单，易于实现。

附图说明

图1示出本发明的系统框图。

图2示出本发明的±180°鉴相模块原理图。

图3示出本发明的信号Ain超前信号Bin的时序图。

图4示出本发明的信号Ain滞后信号Bin的时序图。

图5示出本发明的±180°鉴相特性图。

图6示出本发明的实施例中高精度±180°数字鉴相逻辑电路图。

图7示出本发明的实施例中信号Ain超前信号Bin的仿真时序图。

图8示出本发明的实施例中信号Ain滞后信号Bin的仿真时序图。

图中：信号Ain 1；信号Bin 2；时钟CLK 3；±180°鉴相模块4；分频器5；计数平均模块6；非门7；非门8；D触发器9；D触发器10；信号Aout 11；信号Bout 12；与门13；与门14；16位计数器15；16为计数器16；信号QA 17；信号QB 18；非门19；4位计数器20；D触发器21；D触发器22；非门23；信号choose 24；复位信号RST 25；平均算法26。

具体实施方式

本发明主要包括三个功能模块：±180°鉴相模块4、分频器5和计数平均模块6。待鉴相信号通过±180°鉴相模块实现信号辨向，并产生相位方波，相位方波的脉冲宽度大小代表着信号相位差的大小。通过分频器选取数个脉冲宽度由计数平均模块分别进行计数，并且求得单个脉宽计数平均值，由该值即可精确计算出相位差的大小。

所述的±180°鉴相模块主要由两个非门和两个D触发器构成，两路输出信号用于实现信号辨向。

所述的分频器是将输入信号频率进行M倍分频，选取相位方波中M个相位脉冲。所述的计数平均模块是由计数器及数据处理部分构成，利用用高频时钟对相位方波进行脉冲填充计数，将相位方波的多个脉冲宽度对应的计数值求平均，可消除随机误差。

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。

在图1中，待鉴相信号Ain 1和Bin 2为整形后的方波信号，具有相同频率fs。信号Ain和Bin首先输入到±180°鉴相模块4进行鉴相。±180°鉴相模块主要由两个非门7、8和两个D触发器9、10组成，如图2所示。由±180°鉴相模块的输出信号Aout 11和Bout 12的具体形式可以对输入信号实现±180°鉴相功能。图3和图4为±180°鉴相模块的时序图。在图3中，输入信号Ain超前Bin，输出信号Aout为相位方波信号，Bout为低电平；在图4中，输入信号Ain滞后Bin，输出信号Aout为低电平，Bout为相位方波信号。由此对信号Ain和Bin实现了辨向功能。相位方波信号的脉宽大小对应信号Ain和Bin的相位差

大小。在图5中，显示了±180°鉴相模块的鉴相特性图。

实现±180°鉴相后，还应对相位方波的脉冲宽度进行测量。为了对相位差

进行高精度测量，用过更高频率fc的基准时钟CLK 3对相位方波进行填充，通过计数器对相位方波中的填充脉冲进行计数，计数值N即反映相位差大小，满足为了减小随机误差，对相位方波中选取的M个相位脉冲宽度进行计数，然后求平均值。分频器5控制选取M个信号周期作为一次测相，计数平均模块6对该M个脉冲宽度进行计数，然后求出单个脉冲宽度的计数平均值，最后得出信号Ain和Bin的精确相位差值：

下面是本发明的实施例。

图6示出本发明的实施例中高精度±180°数字鉴相逻辑电路图。鉴相工作之前，通过复位信号RST 25对各模块进行复位清零。待鉴相的信号Ain 1和Bin 2是频率fs＝20kHz的方波信号，两信号首先输入到±180°鉴相模块4。图6中，信号Ain和Bin分别以对称的方式输入到两个非门7、8和两个D触发器9、10中，由输出信号Aout 11和Bout 12进一步实现信号辨向和相位测量。分频器5有一个4位计数器和两个D触发器构成，对输入信号Ain(或Bin)实现M＝8倍分频，即可选取相位方波中连续8个脉宽用于后续计数求平均。在计数平均模块6中，采用频率fc＝20MHz的基准时钟CLK对相位方波进行填充计数，主要包括两个与门13和14、一个16为计数器15和一个平均算法26。将M、fs、fc代入式(1)，可通过简单算法计算出相位差值因此，数字鉴相精度可达0.36°，鉴相范围在±180°。并且选用更大的M值，可更有效地消除计数随机误差；采用更高频率的时钟，可进一步提高鉴相精度。

图7为信号Ain超前信号Bin 50.4°的仿真时序图。信号QA 17是对相位方波脉冲的连续计数值，信号QB 18计数值为0，且没变化，依次可判断信号Ain超前信号Bin。信号QA依次计了8个数值：140、280、420、560、700、840、980、1020，由于该数据是累加计数，因此在平均模块中可判断出，连续8个脉宽对应的计数值为N₁～N₈：140、140、140、140、140、140、140、140，由于仿真属于理想情况，不存在随机误差，因而8个计数值不存在差异。由式(1)可计算出相位差：

综上可知仿真获得了准确的鉴相结果：信号Ain超前信号Bin 50.4°。图8为信号Ain滞后信号Bin 50.4°的仿真时序图。同理可得鉴相结果：信号Ain滞后信号Bin 50.4°。

Claims

1.一种高精度±180°数字鉴相方法，其特征是，包括下列步骤：使待鉴相信号通过±180°鉴相模块实现信号辨向，并产生相位方波，相位方波的脉冲宽度大小代表着信号相位差的大小；通过分频器选取相位方波中数个脉冲宽度由计数平均模块分别进行计数，并且求得单个脉宽计数平均值，由该值精确计算出相位差的大小。

2.根据权利要求1所述的一种高精度±180°数字鉴相方法，其特征是，所述的使待鉴相信号通过±180°鉴相模块实现信号辨向，并产生相位方波是，由两个非门和两个D触发器构成鉴相模块，使两路待鉴相信号中的一路输入一个D触发器的时钟端，并通过一个非门输入另一个D触发器的D端；使两路待鉴相信号中的另一路输入所述另一个D触发器的时钟端，并通过另一个非门输入所述一个D触发器的D端。

3.根据权利要求1所述的一种高精度±180°数字鉴相方法，其特征是，所述的由计数平均模块分别进行计数，并且求得单个脉宽计数平均值是，利用用高频时钟对相位方波进行脉冲填充计数，求相位方波的多个脉冲宽度对应的计数值的平均值。

4.一种高精度±180°数字鉴相装置，其特征是，包括：用于实现信号辨向并产生相位方波的±180°鉴相模块(4)；用于将所述相位方波分频，取得数个脉冲宽度信号并输出到计数平均模块(6)的分频器(5)；计数平均模块(6)用于将分频器选取的数个脉冲宽度信号分别进行计数，并求得单个脉宽计数平均值。

5.根据权利要求4所述的一种高精度±180°数字鉴相装置，其特征是，所述的±180°鉴相模块(4)主要由两个非门和两个D触发器构成，两路待鉴相信号中的一路输入一个D触发器的时钟端，并通过一个非门输入另一个D触发器的D端；两路待鉴相信号中的另一路输入所述另一个D触发器的时钟端，并通过另一个非门输入所述一个D触发器的D端，所述两个D触发器分别输出到分频器(5)。

6.根据权利要求4所述的一种高精度±180°数字鉴相装置，其特征是，所述的分频器(5)是将输入信号频率进行M倍分频，选取相位方波中M个相位脉冲。

7.根据权利要求4所述的一种高精度±180°数字鉴相装置，其特征是，所述的计数平均模块(6)是由计数器及数据处理部分构成，利用用高频时钟对相位方波进行脉冲填充计数，求相位方波的多个脉冲宽度对应的计数值的平均值。