CN103543333B - 高频信号相位差测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
高频信号相位差测量方法及测量装置，涉及电子测量技术领域，具体涉及一种信号相位差测量方法和测量装置。解决了现有信号相位差测量方法在信号频率高时测量准确性低的问题。本发明采用频率测量电路对待测高频信号x1(t)和x2(t)进行频率测量，获得待测高频信号的频率；采用微控制器电路对数字正交信号发生电路进行设置；数字正交信号发生电路通过微控制器电路设置后输出频率与频率测量电路获得的高频信号的频率相同的正弦信号和余弦信号；采用两路I/Q解调器分别对待测高频信号x1(t)和x2(t)进行解调；采用4路同步采集电路对4路下变频信号同步采样，顺序量化；微控制器对输入4路数字信号进行相位差计算，完成高频信号相位差的测量。本发明适用于信号相位差测量。
Description
技术领域
本发明涉及电子测量技术领域，具体涉及一种信号相位差测量方法和测量装置。
背景技术
在电子测量领域中，相位差是一种重要的时间参数，相位差的准确测量对于通信、测控、医疗等领域均具有重要意义。传统相位差测量方法，主要通过测量时间间隔来实现。首先将两路同频率信号利用比较器进行整形，变换成符合特定电平标准的数字逻辑量，然后通过计数器对两路信号间的时间差进行计数，最后将计数结果与周期相除得到相位差。该类方法的精度主要取决于计数器的计数误差，通常局限于低频信号间的相位差测量。随着被测信号频率的提高，被测信号的周期变短，计数的相对误差变大，该方法在信号频率高时无法准确测量。
发明内容
本发明为了解决现有信号相位差测量方法在信号频率高时测量准确性低的问题，提出了一种高频信号相位差测量方法及测量装置。
本发明所述高频信号相位差测量方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用频率测量电路对待测高频信号x1(t)和x2(t)进行频率测量，获得待测高频信号的频率；
步骤二、采用微控制器电路对数字正交信号发生电路进行设置；
频率测量电路将测量获得的信号频率发送至为微控制器电路，微控制器电路根据接收的待测高频信号的频率对数字正交信号发生电路进行设置；
步骤三、数字正交信号发生电路输出的正弦信号Asin(wt)的频率和余弦信号Acos(wt)的频率均与频率测量电路获得的待测高频信号的频率相同；其中A为数字正交信号发生电路输出的正余弦信号的幅值，w为角频率，t为时间；
步骤四、利用步骤三中的正弦信号Asin(wt)和余弦信号Acos(wt)，采用两路I/Q解调器分别对待测高频信号x1(t)和x2(t)进行解调；获得4路下变频信号和
步骤五、采用4路同步采集电路，对步骤四获得的4路下变频信号和进行同步采样，并对下变频信号和的采样值进行顺序量化；
采用微控制器电路对4路同步采集电路输入同步时钟信号，4路同步采集电路中的模数转换电路通过时钟信号同时进行模数转换；
步骤六、4路同步采集电路将完成顺序量化后获得的4路数字信号和输入至微控制器；
步骤七、微控制器对输入4路数字信号和进行相位差计算，获得待测信号x1(t)和x2(t)的相位差
步骤八、交换步骤四中所述两路I/Q解调器的位置，返回执行一次步骤四到步骤七，获得下一时刻待测信号x1(t)和x2(t)的相位差
步骤九、对步骤七获得的相位差与步骤八获得的相位差求均值，获得待测信号的x1(t)和x2(t)的相位差完成高频信号相位差的测量。
实现上述高频信号相位差测量方法的相位差测量的装置，该装置包括数字正交信号发生电路、一号I/Q解调器、二号I/Q解调器、频率测量电路、4路同步采样电路和微控制器；
频率测量电路的频率信号输出端连接微控制器的频率信号输入端，微控制器的时钟信号输出与同步采样信号输入端连接4路同步采样电路的时钟信号输入与同步采样信号输出端，微控制器的频率控制信号输出端连接数字正交信号发生电路的频率设置信号输入端，数字正交信号发生电路的正弦信号输出端同时连接一号I/Q解调器的正弦信号输入端和二号I/Q解调器的正弦信号输入端，数字正交信号发生电路的余弦信号输出端同时连接一号I/Q解调器的余弦信号输入端和二号I/Q解调器的余弦信号输入端，一号I/Q解调器的一号低频信号输出端连接4路同步采样电路的一号低频信号输入端，一号I/Q解调器的二号低频信号输出端连接4路同步采样电路的二号低频信号输入端，二号I/Q解调器的一号低频信号输出端连接4路同步采样电路的三号低频信号输入端，二号I/Q解调器的二号低频信号输出端连接4路同步采样电路的四号低频信号输入端；
频率测量电路用于测量待测信号相位差的两个信号的频率；
一号I/Q解调器用于对一路待测信号进行混频和低通滤波；
二号I/Q解调器用于对另一路待测信号进行混频和低通滤波。
本发明提出基于正交解调思想的相位差测量方法，采用I/Q解调原理，将被测信号的相位转化成与之具有特定数量关系的低频电压量，然后通过对低速采样值的运算来实现相位差的精确测量。且与现有信号相位差测量方法相比，当待测信号频率大于1MHz时相位差测量准确度提高了30%以上。
附图说明
图1为本发明所述高频信号相位差测量方法流程图；
图2为具体实施方式四所述的高频信号相位差测量的装置图；
图3为具体实施方式九所述的高频信号相位差测量装置示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述高频信号相位差测量方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用频率测量电路对待测高频信号x1(t)和x2(t)进行频率测量，获得待测高频信号的频率；
步骤二、采用微控制器电路对数字正交信号发生电路进行设置；
频率测量电路将测量获得的信号频率发送至微控制器电路，微控制器电路根据接收的待测高频信号的频率对数字正交信号发生电路进行设置；
步骤三、数字正交信号发生电路输出与频率测量电路获得的频率相同的正弦信号Asin(wt)和余弦信号Acos(wt)；其中A为数字正交信号发生电路输出的正余弦信号的幅值，w为角频率，t为时间；
步骤四、利用步骤三中的正弦信号Asin(wt)和余弦信号Acos(wt)，采用两路I/Q解调器分别对待测高频信号x1(t)和x2(t)进行解调；获得4路下变频信号和
步骤五、采用4路同步采集电路，对步骤四获得的4路下变频信号和进行同步采样，并对下变频信号和的采样值进行顺序量化；
采用微控制器电路对4路同步采集电路输入同步时钟信号，4路同步采集电路中的模数转换电路通过时钟信号同时进行模数转换；
步骤六、4路同步采集电路将完成顺序量化后获得的4路数字信号和输入至微控制器；
步骤七、微控制器对输入4路数字信号和进行相位差计算，获得待测信号x1(t)和x2(t)的相位差
步骤八、交换步骤四中所述两路I/Q解调器的位置，返回执行一次步骤四到步骤七，获得下一时刻待测信号x1(t)和x2(t)的相位差
步骤九、对步骤七获得的相位差与步骤八获得的相位差求均值，获得待测信号的x1(t)和x2(t)的相位差完成高频信号相位差的测量。
本发明为了提高相位差测量的频率范围，实现高频信号间相位差的精确测量，采用正交解调思想对被测信号进行下变频的测量方法。该方法采用通信技术中的I/Q解调原理，将被测信号基频分量的相位转化成低频电压信号，通过低速模数转换器（Analog to Digitalconverter，ADC）完成数据采集，最后由微处理器计算出相位差。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的高频信号相位差测量方法的进一步说明，步骤四所述采用I/Q解调器分别对待测高频信号x1(t)和x2(t)进行解调；获得4路下变频信号和的方法为：
采用I/Q解调器中的乘法器分别将正弦信号Asin(wt)和待测信号x1(t)相乘，余弦信号Acos(wt)和待测信号x1(t)相乘，并采用I/Q解调器中的低通滤波器分别对获得的乘积信号进行低通滤波，获得低频信号
采用I/Q解调器中的乘法器分别将正弦信号Asin(wt)和待测信号x2(t)相乘，余弦信号Acos(wt)和待测信号x2(t)相乘，并采用I/Q解调器中的低通滤波器分别对获得的乘积信号进行低通滤波，获得低频信号和
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或具体实施方式二所述的高频信号相位差测量方法的进一步说明，步骤七所述微控制器对输入4路数字信号 和进行相位差计算，获得待测信号x1(t)和x2(t)的相位差的方法：
步骤一一、计算相位差的中间结果：和
所述w0为频率测量值与待测信号频率真实值之差；t0为采样时刻，为待测信号x1(t)的初相位，为待测信号x2(t)的初相位；
根据和计算待测信号x1(t)的中间相位值
若
若
若
若
若
若
根据和计算待测信号x2(t)的中间相位值
若
若
若
若
若
若
步骤一二、对步骤一一获得的中间相位差和做差去掉w0t0项，并将单位换算成度，得到信号x1(t)、x2(t)的相位差度。
具体实施方式四、结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的高频信号相位差测量方法的进一步说明，该装置包括数字正交信号发生电路1、一号I/Q解调器2、二号I/Q解调器3、频率测量电路4、4路同步采样电路5和微控制器7；
频率测量电路4的频率信号输出端连接微控制器7的频率信号输入端，微控制器7的时钟信号输出与同步采样信号输入端连接4路同步采样电路5的时钟信号输入与同步采样信号输出端，微控制器7的频率控制信号输出端连接数字正交信号发生电路1的频率设置信号输入端，数字正交信号发生电路1的正弦信号输出端同时连接一号I/Q解调器2的正弦信号输入端和二号I/Q解调器3的正弦信号输入端，数字正交信号发生电路1的余弦信号输出端同时连接一号I/Q解调器2的余弦信号输入端和二号I/Q解调器3的余弦信号输入端，一号I/Q解调器2的一号低频信号输出端连接4路同步采样电路5的一号低频信号输入端，一号I/Q解调器2的二号低频信号输出端连接4路同步采样电路5的二号低频信号输入端，二号I/Q解调器3的一号低频信号输出端连接4路同步采样电路5的三号低频信号输入端，二号I/Q解调器3的二号低频信号输出端连接4路同步采样电路5的四号低频信号输入端；
频率测量电路4用于测量待测信号相位差的两个信号的频率；
一号I/Q解调器2用于对一路待测信号进行混频和低通滤波；
二号I/Q解调器3用于对另一路待测信号进行混频和低通滤波。
具体实施方式五、实现具体实施方式四所述的高频信号相位差测量的装置，一号I/Q解调器2包括一号乘法器2-1、二号乘法器2-2、一号低通滤波器2-3和二号低通滤波器2-4；
一号乘法器2-1的一号信号输入端为一号I/Q解调器2的余弦信号输入端，一号乘法器2-1的二号信号输入端连接待测信号输入端，一号乘法器2-1的混频信号输出端连接一号低通滤波器2-3的混频信号输入端，一号低通滤波器2-3的信号输出端为一号I/Q解调器2一号低频信号输出端；
二号乘法器2-2的一号信号输入端为一号I/Q解调器2的正弦信号输入端，二号乘法器2-2的二号信号输入端连接待测信号输入端；二号乘法器2-2的混频信号输出端连接二号低通滤波器2-4的混频信号输入端，二号低通滤波器2-4的信号输出端为一号I/Q解调器2二号低频信号输出端。
具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式四或具体实施方式五所述的实现高频信号相位差测量方法的相位差测量的装置的进一步说明，二号I/Q解调器3包括三号乘法器3-1、四号乘法器3-2、三号低通滤波器3-3和四号低通滤波器3-4；
三号乘法器3-1的一号信号输入端为二号I/Q解调器3的余弦信号输入端，三号乘法器3-1的二号信号输入端连接待测信号输入端，三号乘法器3-1的混频信号输出端连接三号低通滤波器3-3的混频信号输入端，三号低通滤波器3-3的信号输出端为二号I/Q解调器3三号低频信号输出端；
四号乘法器3-2的一号信号输入端为二号I/Q解调器3的正弦信号输入端，四号乘法器3-2的二号信号输入端连接待测信号输入端；四号乘法器3-2的混频信号输出端连接四号低通滤波器3-4的混频信号输入端，四号低通滤波器3-4的信号输出端为二号I/Q解调器3四号低频信号输出端。
具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式六所述的实现高频信号相位差测量的装置的进一步说明，它还包括键盘电路8，所述键盘电路8的按键信号输出端连接微控制器7的控制信号输入端。
具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式四、具体实施方式五或具体实施方式七所述的实现高频信号相位差测量的装置的进一步说明，它还包括显示电路6，显示电路6的显示信号输入端连接微控制器7的相位差显示信号输出端。
具体实施方式九、结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式八所述的实现高频信号相位差测量的装置的进一步说明，一号电子开关K1的静端连接一号I/Q解调器2待测信号输入端；活动端连接待测信号x1(t)的输入端或待测信号x2(t)的输入端。二号电子开关K2的静端连接的二号I/Q解调器3待测信号输入端；活动端连接待测信号x2(t)的输入端或待测信号x1(t)的输入端。
本发明中采用I/Q解调器的低通滤波器容易引入一定的相位误差，理论上要求I/Q解调器中的所有低通滤波器具有相同的电路结构和参数，进而保证相位做差时，将额外的相位偏差消除。然而实际中电路元件很难做到完全一致，因此本发明在实施时，需要具有误差降低措施。由于主体测量电路（2路I/Q解调器）在结构上具有对称性，因此在实际测量过程中，通过交换2路I/Q解调器接入待测信号x1(t)、x2(t)的顺序，进行两次测量取平均的方法来减小因滤波器不对称引入的相位误差。如图3所示，采用交换2路I/Q解调器接入待测信号x1(t)、x2(t)的顺序降低测量误差，电子开关K1、K2在微控制器的控制下同步动作，首先电子开关K1、K2分别将信号x1(t)、x2(t)接入一号I/Q解调器和二号I/Q解调器，得到一组相位测量中间结果和然后K1、K2分别将信号x2(t)、x1(t)接入一号I/Q解调器和二号I/Q解调器，并再获得一组相位测量中间结果和最后按照如下公式计算平均相位差：
为了减小噪声等引起的随机误差，对按上述方法所得到的多组相位差测量值进行N次平均，（N为正整数，其大小由所采用的微处理器的计算能力决定）即通过计算下式来降低随机误差：
本发明适用于2路高频信号间相位差的测量，提高了被测信号的频率范围；通过I/Q解调方法，对输入信号进行下变频，将相位信息转化为低频率信号，对采样和数据处理速度要求低；电路具有对称结构，在装置内部通过交换2路I/Q解调器接入待测信号x1(t)、x2(t)的顺序，可实现系统误差的修正，进一步提高测量精度；有效避开了传统相位差测量方法中对小时间间隔的精确测量；对频率测量的精度要求不高，允许有一定的误差w0存在，频率测量容易实现；
DDS技术、I/Q解调技术均比较成熟，有商用芯片可供使用。
测量相位差的同时，能够获得2路被测信号基频分量的幅度，具体计算方法如下：
式中A1和A2分别表示2路被测信号基频分量的幅度。
Claims (9)
1.高频信号相位差测量方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用频率测量电路对待测高频信号x1(t)和x2(t)进行频率测量，获得待测高频信号的频率；
步骤二、采用微控制器电路对数字正交信号发生电路进行设置；
频率测量电路将测量获得的信号频率发送至微控制器电路，微控制器电路根据接收的待测高频信号的频率对数字正交信号发生电路进行设置；
步骤三、数字正交信号发生电路输出与频率测量电路获得的频率相同的正弦信号Asin(wt)和余弦信号Acos(wt)；其中A为数字正交信号发生电路输出的正余弦信号的幅值，w为角频率，t为时间；
步骤四、利用步骤三中的正弦信号Asin(wt)和余弦信号Acos(wt)，采用两路I/Q解调器分别对待测高频信号x1(t)和x2(t)进行解调；获得4路下变频信号和
步骤五、采用4路同步采集电路，对步骤四获得的4路下变频信号和进行同步采样，并对下变频信号和的采样值进行顺序量化；
采用微控制器电路对4路同步采集电路输入同步时钟信号，4路同步采集电路中的模数转换电路通过时钟信号同时进行模数转换；
步骤六、4路同步采集电路将完成顺序量化后获得的4路数字信号和输入至微控制器；
步骤七、微控制器对输入4路数字信号和进行相位差计算，获得待测信号x1(t)和x2(t)的相位差
步骤八、交换步骤四中所述两路I/Q解调器的位置，返回执行一次步骤四到步骤七，获得下一时刻待测信号x1(t)和x2(t)的相位差
步骤九、对步骤七获得的相位差与步骤八获得的相位差求均值，获得待测信号的x1(t)和x2(t)的相位差完成高频信号相位差的测量。
2.根据权利要求1所述的高频信号相位差测量方法，其特征在于，步骤四所述采用I/Q解调器分别对待测高频信号x1(t)和x2(t)进行解调；获得4路下变频信号和的方法为：
采用I/Q解调器中的乘法器分别将正弦信号Asin(wt)和待测信号x1(t)相乘，余弦信号Acos(wt)和待测信号x1(t)相乘，并采用I/Q解调器中的低通滤波器分别对获得的乘积信号进行低通滤波，获得低频信号和
采用I/Q解调器中的乘法器分别将正弦信号Asin(wt)和待测信号x2(t)相乘，余弦信号Acos(wt)和待测信号x2(t)相乘，并采用I/Q解调器中的低通滤波器分别对获得的乘积信号进行低通滤波，获得低频信号和
3.根据权利要求1或2所述的高频信号相位差测量方法，其特征在于，步骤七所述微控制器对输入4路数字信号和进行相位差计算，获得待测信号x1(t)和x2(t)的相位差的方法：
步骤一一、计算相位差的中间结果：和
所述w0为频率测量值与待测信号频率真实值之差；t0为采样时刻，为待测信号x1(t)的初相位，为待测信号x2(t)的初相位
根据和计算待测信号x1(t)的中间相位值
若
若
若
若
若
若
根据和计算待测信号x2(t)的中间相位值
若
若
若
若
若
若
步骤一二、对步骤一一获得的中间相位差和做差去掉w0t0项，并将单位换算成度，得到信号x1(t)、x2(t)的相位差度。
4.实现权利要求1所述的高频信号相位差测量的装置，其特征在于，该装置包括数字正交信号发生电路（1）、一号I/Q解调器（2）、二号I/Q解调器（3）、频率测量电路（4）、4路同步采样电路（5）和微控制器（7）；
频率测量电路（4）的频率信号输出端连接微控制器（7）的频率信号输入端，微控制器（7）的时钟信号输出与同步采样信号输入端连接4路同步采样电路（5）的时钟信号输入与同步采样信号输出端，微控制器（7）的频率控制信号输出端连接数字正交信号发生电路（1）的频率设置信号输入端，数字正交信号发生电路（1）的正弦信号输出端同时连接一号I/Q解调器（2）的正弦信号输入端和二号I/Q解调器（3）的正弦信号输入端，数字正交信号发生电路（1）的余弦信号输出端同时连接一号I/Q解调器（2）的余弦信号输入端和二号I/Q解调器（3）的余弦信号输入端，一号I/Q解调器（2）的一号低频信号输出端连接4路同步采样电路（5）的一号低频信号输入端，一号I/Q解调器（2）的二号低频信号输出端连接4路同步采样电路（5）的二号低频信号输入端，二号I/Q解调器（3）的一号低频信号输出端连接4路同步采样电路（5）的三号低频信号输入端，二号I/Q解调器（3）的二号低频信号输出端连接4路同步采样电路（5）的四号低频信号输入端；
频率测量电路（4）用于测量待测信号相位差的两个信号的频率；
一号I/Q解调器（2）用于对一路待测信号进行混频和低通滤波；
二号I/Q解调器（3）用于对另一路待测信号进行混频和低通滤波。
5.根据权利要求4所述的实现高频信号相位差测量的装置，其特征在于，一号I/Q解调器（2）包括一号乘法器（2-1）、二号乘法器（2-2）、一号低通滤波器（2-3）和二号低通滤波器（2-4）；
一号乘法器（2-1）的一号信号输入端为一号I/Q解调器（2）的余弦信号输入端，一号乘法器（2-1）的二号信号输入端连接待测信号输入端，一号乘法器（2-1）的混频信号输出端连接一号低通滤波器（2-3）的混频信号输入端，一号低通滤波器（2-3）的信号输出端为一号I/Q解调器（2）一号低频信号输出端；
二号乘法器（2-2）的一号信号输入端为一号I/Q解调器（2）的正弦信号输入端，二号乘法器（2-2）的二号信号输入端连接待测信号输入端；二号乘法器（2-2）的混频信号输出端连接二号低通滤波器（2-4）的混频信号输入端，二号低通滤波器（2-4）的信号输出端为一号I/Q解调器（2）二号低频信号输出端。
6.根据权利要求4或5所述的实现高频信号相位差测量的装置，其特征在于，二号I/Q解调器（3）包括三号乘法器（3-1）、四号乘法器（3-2）、三号低通滤波器（3-3）和四号低通滤波器（3-4）；
三号乘法器（3-1）的一号信号输入端为二号I/Q解调器（3）的余弦信号输入端，三号乘法器（3-1）的二号信号输入端连接待测信号输入端，三号乘法器（3-1）的混频信号输出端连接三号低通滤波器（3-3）的混频信号输入端，三号低通滤波器（3-3）的信号输出端为二号I/Q解调器（3）三号低频信号输出端；
四号乘法器（3-2）的一号信号输入端为二号I/Q解调器（3）的正弦信号输入端，四号乘法器（3-2）的二号信号输入端连接待测信号输入端；四号乘法器（3-2）的混频信号输出端连接四号低通滤波器（3-4）的混频信号输入端，四号低通滤波器（3-4）的信号输出端为二号I/Q解调器（3）四号低频信号输出端。
7.根据权利要求6所述的实现高频信号相位差测量的装置，其特征在于，它还包括键盘电路（8），所述键盘电路（8）的按键信号输出端连接微控制器（7）的控制信号输入端。
8.根据权利要求4、5或7所述的实现高频信号相位差测量的装置，其特征在于，它还包括显示电路（6），显示电路（6）的显示信号输入端连接微控制器（7）的相位差显示信号输出端。
9.根据权利要求8所述的实现高频信号相位差测量的装置，其特征在于，它还包括一号电子开关K1和二号电子开关K2；一号电子开关K1的静端连接一号I/Q解调器（2）待测信号输入端；活动端连接待测信号x1(t)的输入端或待测信号x2(t)的输入端，二号电子开关K2的静端连接的二号I/Q解调器（3）待测信号输入端；活动端连接待测信号x2(t)的输入端或待测信号x1(t)的输入端。
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