CN102298089A - 一种新型相位差检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号检测领域一种相位差检测电路及方法，特别是涉及一种检测两路信号相位差大小及超前或滞后关系的相位差检测电路及方法。本发明的目的是解决现有技术中检测相位差大小及相位超前或滞后关系的方法过于复杂的问题，提供一种新型相位差检测电路方法，精确检测两路输入信号的相位差大小与超前滞后关系，检测电路简单、可靠。技术方案：包括检相检测模块1、检相检测模块2、移相电路、A/D模数转换电路1、A/D模数转换电路2、FPGA处理器。本发明主要应用于检测两路正弦波或方波信号的相位差及超前滞后关系的场合。

Description

一种新型相位差检测电路及方法

技术领域

本发明涉及信号检测领域一种相位差检测电路及方法，特别是涉及一种检测两路信号相位差大小及超前或滞后关系的相位差检测电路及方法。

背景技术

在信号检测领域，经常需要检测两个信号之间的相位差，相位差包括相位差的大小以及相位的超前或滞后关系。一般的检相芯片（如AD8302等）能够测量出两路信号相位差的大小，其范围是0°～180°，但不能测量两路信号的相位差究竟是在0°～+180°还是0°～-180°的范围，所以无法判断两路信号相位的超前或滞后关系。

《中国测试》于2009年5月发表了题为《基于AD8302的双纵模双频激光干涉仪信号处理系统》的文章，文中对利用AD8302芯片对两路信号相位差的检测进行了描述，它采用了将其中一路信号延迟90°，然后再与另外一路信号进行相位差的检测，从而识别出两路信号相位的超前或滞后关系。这种方法的缺点是必须将信号精确移相90°，这使电路设计变得复杂，并且当移相角度不准确时易产生误判。另外，《中国新技术新产品》2009年第2期发表了题为《利用相位的抖动来克服AD8302的二值性》的文章，它对其中一路信号加入连续的方波脉冲进行相位调制，利用相位的抖动来识别两路信号相位的超前或滞后关系，这种方法的缺点是需要加入复杂的相位调制电路。

发明内容

    本发明的目的是解决现有技术中检测相位差大小及相位超前或滞后关系方法过于复杂问题，提供一种新型相位差检测电路及方法，精确检测两路输入信号的相位差大小与超前滞后关系，检测电路简单、可靠。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种新型相位差检测电路，包括检相检测模块1、移相电路、检相检测模块2、信号处理模块，信号处理模块包括A/D模数转换电路1、A/D模数转换电路2、FPGA处理器，其中移相电路、检相检测模块2、A/D模数转换电路1、FPGA处理器顺序电连接，检相检测模块1、A/D模数转换电路2、FPGA处理器顺序电连接。

所述检相检测模块包括检相芯片AD8302及外围电路，输入信号A与第一个检相芯片AD8302第二管脚连接，输入信号B与第一个检相芯片AD8302第六管脚连接，第一个检相芯片AD8302第九管脚、第一个检相芯片AD8302第十管脚共同作为输出端与A/D模数转换电路1输入端连接；输入信号A通过移相电路与第二个检相芯片AD8302第二管脚连接，输入信号B与第二个检相芯片AD8302第六管脚连接，第二个检相芯片AD8302第九管脚、第二个检相芯片AD8302第十管脚共同作为输出端与A/D模数转换电路2输入端连接；A/D模数转换电路1、A/D模数转换电路2输出端分别与FPGA处理器连接。 

所述新型相位差检测电路通过增加一路检相检测模块和移相电路，利用A/D模数转换电路，经过FPGA处理器采用相应的检测方法判断出两路信号相位超前或滞后关系。

所述FPGA处理器还被带A/D模数转换的微处理器或者DSP处理器代替。

一种新型相位差检测电路检测方法，采用以下步骤实现：

1)相位为α（-180＜α≤180）的输入信号A和相位为β（-180＜β≤180）的输入信号B输入检相检测模块1，检相检测模块1检测出输入信号A和输入信号B相位差的大小，以模拟电压的形式输出，经过A/D模数转换电路1将电压值转换为角度γ值相对应的数字量；

2)输入信号A同时又接入具有移相功能的移相电路，设定移相的角度为θ（0＜θ≤90），经过移相电路之后，输入信号A的相位为α+θ，然后再与输入信号B一起输入检相检测模块2，检相检测模块2检测出的相位差大小，以模拟电压的形式输出，经过A/D模数转换电路2将电压值转化为角度φ值对应的数字量；

3)将角度γ和角度φ对应的数字量输入FPGA处理器，转换为对应的γ和φ，由FPGA处理器根据θ、γ和φ进行分析，当γ≠0时，判断出α和β的大小关系，也即，判断出输入信号A和输入信号B相位超前或滞后的关系，输入信号A和输入信号B的相位差大小为γ，即有： |α-β|=γ。当输入信号A和输入信号B不同相时，有两种情况：

a)第一种情况，若输入信号A的相位超前输入信号B的相位，即α-β＜0时，有：

φ=|α+θ-β|=|α-β+θ|=|γ-θ|；

当γ＜θ时，有φ=|γ-θ|=θ-γ＜θ；

当θ≤γ＜180-θ时，有φ=|γ-θ|=γ-θ＜γ；

当180-θ≤γ≤180时，有φ=|γ-θ|=γ-θ≤180-θ；

b)第二种情况，若输入信号A的相位滞后输入信号B的相位，即α-β＞0时，有：

当γ＜θ时，有φ=|α+θ-β|=|α-β+θ|=γ+θ≥θ；

当θ≤γ＜180-θ时，有φ=|α+θ-β|=|α-β+θ|=γ+θ≥γ；

当180-θ≤γ≤180时，因γ+θ≥180，有φ=360-|α+θ-β|=360-（γ+θ）=360-γ-θ≥360-180-θ=180-θ；

当γ＜θ、θ≤γ＜180-θ或180-θ≤γ≤180时，超前滞后关系分别以θ、γ和180-θ为分界点，所以有判断输入信号A和输入信号B超前滞后关系的算法：若γ＜θ且φ＜θ，或θ≤γ＜180-θ且φ＜γ，或γ≥180-θ且φ＜180-θ，则输入信号A的相位超前输入信号B的相位；若γ＜θ且φ≥θ，或θ≤γ＜180-θ且φ≥γ，或γ≥180-θ且φ≥180-θ，则输入信号A的相位滞后输入信号B的相位，γ 为相位差值。

从上述本发明的结构特征可以看出，其优点是：有效地检测两路输入信号的相位差及超前滞后关系，检测电路简单、可靠。

附图说明

本发明将通过附图比较以及结合实例的方式说明：

图1是本发明的电路原理框图。

图2是本发明的电路设计图。

图3是本发明的判断两路信号相位超前或滞后关系的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

设计思路：如图1所示，检相检测模块1可以直接检测出两路输入信号A和B相位差的大小，其范围是0°～180°，通过增加一个相同功能的检相检测模块2和一个移相电路，A/D模块将两个检相检测模块输出信号电压值转换为数字信号送入FPGA（或带有A/D转换功能的微处理器等），FPGA通过特定的算法判断出两路信号相位差值和超前滞后关系。

总体设计：新型相位差检测电路，包括检相检测模块1、移相电路、检相检测模块2、信号处理模块，信号处理模块包括A/D模数转换电路1、A/D模数转换电路2、FPGA处理器，其中移相电路、检相检测模块2、A/D模数转换电路1、FPGA处理器顺序电连接，检相检测模块1、A/D模数转换电路2、FPGA处理器顺序电连接。检相检测模块包括检相芯片AD8302及外围电路，输入信号A与第一个检相芯片AD8302第二管脚连接，输入信号B与第一个检相芯片AD8302第六管脚连接，第一个检相芯片AD8302第九管脚、第一个检相芯片AD8302第十管脚共同作为输出端与A/D模数转换电路1输入端连接；输入信号A通过移相电路与第二个检相芯片AD8302第二管脚连接，输入信号B与第二个检相芯片AD8302第六管脚连接，第二个检相芯片AD8302第九管脚、第二个检相芯片AD8302第十管脚共同作为输出端与A/D模数转换电路2输入端连接；A/D模数转换电路1、A/D模数转换电路2输出端分别与FPGA处理器连接，其中检相芯片与A/D模数转换电路以数字化方式精确量化输入信号的相位差。

图2为相位差检测电路设计图，R1和R2是匹配电阻，一般为50Ω；C1～C4、C6～C9是1nF的电容；C5和C10是22pF的电容。

电阻R和电容C组成最简单的正弦波移相电路，它是典型的一阶低通滤波器。一阶低通滤波器对输入信号具有移相功能，调节R和C的参数，可以使输入信号的相位发生移相，移相大小在0°～90°范围内变化。也可以将正弦波移相电路改为方波移相电路，对输入的方波进行处理。

两个检相芯片AD8302直接检测出两路输入信号的相位差大小，以模拟电压的方式输出，对应的相位差范围是0°～180°，检相芯片AD8302输出经过A/D模块进行A/D模数转换后，利用FPGA处理器（或带有A/D模数转换功能的微处理或者DSP处理器等）通过特定的算法判断出输入信号A和输入信号B相位的超前滞后关系，然后以高低电平的方式输出。例如，当输出高电平时代表输入信号A的相位超前输入信号B，当输出低电平时代表信号A的相位滞后输入信号B。具体设计过称为：

相位为α（-180＜α≤180）的输入信号A和相位为β（-180＜β≤180）的输入信号B分别输入检相检测模块1，检相检测模块1检测出输入信号A和输入信号B相位差的大小，以模拟电压的形式输出，经过A/D模数转换电路1将电压值转换为角度γ值相对应的数字量；输入信号A同时又接入具有移相功能的移相电路，设定移相的角度为θ（0＜θ≤90），经过移相电路之后，输入信号A的相位为α+θ，然后再与输入信号B一起输入检相检测模块2，检相检测模块2检测出的相位差大小，以模拟电压的形式输出，经过A/D模数转换电路2将电压值转化为角度φ值对应的数字量；将角度γ和角度φ对应的数字量输入FPGA处理器，转换为对应的γ和φ，由FPGA处理器根据θ、γ和φ进行分析，当γ≠0时，判断出α和β的大小关系，也即，判断出输入信号A和输入信号B相位超前或滞后的关系。检相芯片可以是AD8302或者相同检相功能的芯片。

图3是本发明的判断两路信号相位超前或滞后关系的算法流程图。输入信号A和输入信号B的相位差大小为γ，即有：|α-β|=γ。当输入信号A和输入信号B不同相时，有两种情况：

第一种情况，若输入信号A的相位超前输入信号B的相位，即α-β＜0时，有：

φ=|α+θ-β|=|α-β+θ|=|γ-θ|；

当γ＜θ时，有φ=|γ-θ|=θ-γ＜θ；

当θ≤γ＜180-θ时，有φ=|γ-θ|=γ-θ＜γ；

当180-θ≤γ≤180时，有φ=|γ-θ|=γ-θ≤180-θ。

第二种情况，若输入信号A的相位滞后输入信号B的相位，即α-β＞0时，有：

当γ＜θ时，有φ=|α+θ-β|=|α-β+θ|=γ+θ≥θ；

当θ≤γ＜180-θ时，有φ=|α+θ-β|=|α-β+θ|=γ+θ≥γ；

当180-θ≤γ≤180时，因γ+θ≥180，有φ=360-|α+θ-β|=360-（γ+θ）=360-γ-θ≥360-180-θ=180-θ。

通过对以上两种情况的分析可以看出，当γ＜θ、θ≤γ＜180-θ或180-θ≤γ≤180时，超前滞后关系分别以θ、γ和180-θ为分界点，所以有以下判断输入信号A和输入信号B超前滞后关系的算法：若γ＜θ且φ＜θ，或θ≤γ＜180-θ且φ＜γ，或γ≥180-θ且φ＜180-θ，则输入信号A的相位超前输入信号B的相位；若γ＜θ且φ≥θ，或θ≤γ＜180-θ且φ≥γ，或γ≥180-θ且φ≥180-θ，则输入信号A的相位滞后输入信号B的相位。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (5)

1.一种新型相位差检测电路，包括检相检测模块1、其特征在于还包括移相电路、检相检测模块2、信号处理模块，信号处理模块包括A/D模数转换电路1、A/D模数转换电路2、FPGA处理器，其中移相电路、检相检测模块2、A/D模数转换电路1、FPGA处理器顺序电连接，检相检测模块1、A/D模数转换电路2、FPGA处理器顺序电连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型相位差检测电路，其特征在于所述检相检测模块包括检相芯片AD8302及外围电路，输入信号A与第一个检相芯片AD8302第二管脚连接，输入信号B与第一个检相芯片AD8302第六管脚连接，第一个检相芯片AD8302第九管脚、第一个检相芯片AD8302第十管脚共同作为输出端与A/D模数转换电路1输入端连接；输入信号A通过移相电路与第二个检相芯片AD8302第二管脚连接，输入信号B与第二个检相芯片AD8302第六管脚连接，第二个检相芯片AD8302第九管脚、第二个检相芯片AD8302第十管脚共同作为输出端与A/D模数转换电路2输入端连接；A/D模数转换电路1、A/D模数转换电路2输出端分别与FPGA处理器连接。

3.根据权利要求1所述的一种新型相位差检测电路，其特征在于所述FPGA处理器还被带A/D模数转换的微处理器或者DSP处理器代替。

4.根据权利要求1所述的一种新型相位差检测电路，其特征在于所述新型相位差检测电路通过增加一路检相检测模块和移相电路，利用A/D模数转换电路，经过FPGA处理器采用相应的检测方法判断出两路信号相位超前或滞后关系。

5.一种新型相位差检测电路检测方法，其特征在于采用以下步骤实现：

相位为α（-180＜α≤180）的输入信号A和相位为β（-180＜β≤180）的输入信号B输入检相检测模块1，检相检测模块1检测出输入信号A和输入信号B相位差的大小，以模拟电压的形式输出，经过A/D模数转换电路1将电压值转换为角度γ值相对应的数字量；

输入信号A同时又接入具有移相功能的移相电路，设定移相的角度为θ（0＜θ≤90），经过移相电路之后，输入信号A的相位为α+θ，然后再与输入信号B一起输入检相检测模块2，检相检测模块2检测出的相位差大小，以模拟电压的形式输出，经过A/D模数转换电路2将电压值转化为角度φ值对应的数字量；

将角度γ和角度φ对应的数字量输入FPGA处理器，转换为对应的γ和φ，由FPGA处理器根据θ、γ和φ进行分析，当γ≠0时，判断出α和β的大小关系，也即，判断出输入信号A和输入信号B相位超前或滞后的关系，输入信号A和输入信号B的相位差大小为γ，即有： |α-β|=γ，当输入信号A和输入信号B不同相时，有两种情况：

第一种情况，若输入信号A的相位超前输入信号B的相位，即α-β＜0时，有：

φ=|α+θ-β|=|α-β+θ|=|γ-θ|；

当γ＜θ时，有φ=|γ-θ|=θ-γ＜θ；

当θ≤γ＜180-θ时，有φ=|γ-θ|=γ-θ＜γ；

当180-θ≤γ≤180时，有φ=|γ-θ|=γ-θ≤180-θ；

第二种情况，若输入信号A的相位滞后输入信号B的相位，即α-β＞0时，有：

当γ＜θ时，有φ=|α+θ-β|=|α-β+θ|=γ+θ≥θ；

当θ≤γ＜180-θ时，有φ=|α+θ-β|=|α-β+θ|=γ+θ≥γ；

当180-θ≤γ≤180时，因γ+θ≥180，有φ=360-|α+θ-β|=360-（γ+θ）=360-γ-θ≥360-180-θ=180-θ；

当γ＜θ、θ≤γ＜180-θ或180-θ≤γ≤180时，超前滞后关系分别以θ、γ和180-θ为分界点，所以有判断输入信号A和输入信号B超前滞后关系的算法：若γ＜θ且φ＜θ，或θ≤γ＜180-θ且φ＜γ，或γ≥180-θ且φ＜180-θ，则输入信号A的相位超前输入信号B的相位；若γ＜θ且φ≥θ，或θ≤γ＜180-θ且φ≥γ，或γ≥180-θ且φ≥180-θ，则输入信号A的相位滞后输入信号B的相位，γ 为相位差值。

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