CN105842537A - 基于集成鉴相鉴频器的相位差测量方法及电路 - Google Patents
基于集成鉴相鉴频器的相位差测量方法及电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于电子测量技术领域，具体涉及一种基于集成鉴相鉴频器的相位差测量方法和电路。本发明利用比较器对两路信号整形，由高频集成鉴相鉴频器比相得到相位差脉冲，经有源比例积分滤波、A/D转换后，由MCU计算得到相位差结果送去显示。综合利用高速鉴相技术和双极性模数转换技术，在MCU控制下实现对较宽频率范围内的两路输入波形可以不同的同频信号间的相位差准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及电子测量技术领域的信号相位差测量技术，具体涉及一种基于集成鉴相鉴频器的相位差测量方法及电路。
背景技术
减小时间延迟和相位延迟是为提高通信质量要研究和解决的重要问题，因而相位差测量一直是信号测量中的一项必不可少的内容，同频率信号之间的相位差测量技术对现代通信、工业测控和国防建设意义重大。现有的相位差测量方法很多，最基本的测量手段是采用示波器进行测量，也可以采用基于异或门的电压测量法或脉冲计数法。
现有的相位差测量方法各有不同的缺点，示波器测量法受人为读数因素的限制，测量精度较低；基于异或门的电压测量法受异或门芯片工作频率的限制，无法测量几十MHz以上的高频信号，而且测量精度也不够高；基于异或门的脉冲计数法测量精度有所提高，但对前端电路的性能要求过高，而且受异或门芯片和计数器、MCU的工作频率限制，可测频率更低。
为解决这个问题，目前理论上在研的可行方法是采用基于DSP的函数计算法或傅里叶变换法。基于DSP的方法可测信号频率可以很高，如果算法适当，测量精度也会很高。但离不开前端模拟处理电路的配合，还要依赖高精度的数字滤波器和大量的软件编程，系统复杂，成本高，而且仅适合测量同种信号的相位差，所以真正进入完全实用化阶段还需时日。
发明内容
为了克服上述技术问题的缺点，本发明提供了一种电路简单、测量准确的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量方法。
本发明的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量方法，其特别之处在于，包括以下步骤：a.选取一个PECL集成鉴相鉴频器，设其两个脉冲输入端分别为R、V，两个鉴相输出端分别为b.待测输入信号中的一路经过交流耦合与直流偏置电路1，输入到PECL比较器1的一个输入端，比较器1的另一个输入端接固定电平；待测输入信号中的另一路经过交流耦合与直流偏置电路2，输入到PECL比较器2的一个输入端，比较器2的另一个输入端接固定电平；两个比较器的输出分别输入到集成鉴相鉴频器的两个输入端R、V；c.选取一个正、负双电源供电的高速、低失调集成运算放大器，与外围电阻、电容元件构成差分输入式有源比例积分滤波器，鉴相鉴频器的输出端分别连接到有源比例积分滤波器的两个输入端；d.选取一个具有双极性转换模式的A/D转换器，有源比例积分滤波器的输出连接到A/D转换器的模拟电压输入端；e.选取一个微控制器MCU，用于对A/D转换器的输出数字量进行计算，并将计算的相位差结果输出到显示器显示。
本发明的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量方法，其特征在于：所述步骤d中，A/D转换器是一种特殊的双极性A/D转换器，通过编程配置，使其输入模拟电压数值的绝对值小于等于参考电压的4倍时，都能够准确实现模数转换。
PECL比较器的作用在于整形，两路待测输入信号可以是正弦波、锯齿波、三角波、矩形波等波形中的相同或者不同波形信号；有源比例积分滤波器输出电压可能为正值，也可能是负值，取决于两个因素：一是集成鉴相鉴频器输入脉冲R超前于V，还是V超前于R；二是鉴相鉴频器的输出端分别连接到集成运算放大器的同相端、反相端，还是分别连接到集成运算放大器的反相端、同相端。无论有源比例积分滤波器输出的电压是正极性还是负极性，具备双极性转换模式的A/D转换器都能够将其转换为相应的带符号数字量，由MCU计算得到最终的相位差结果。
经过2个完全相同的PECL比较器的整形，两路输入波形相同或不同的信号都会变成PECL电平的矩形波信号，送去PECL集成鉴相鉴频器，保证鉴相器能够准确进行相位比较。
相应地，为了克服上述技术问题的缺点，本发明提供了一种电路简单、测量准确的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量电路。
本发明的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量电路，包括两个相同的交流耦合与直流偏置电路、两个相同的用于对输入信号整形的PECL比较器、PECL集成鉴相鉴频器、差分输入式有源比例积分滤波器、双极性A/D转换器、微控制器MCU和显示器，其特征在于：两路待测输入信号中的一路经过交流耦合与直流偏置电路1后，输入到PECL比较器1的一个输入端，PECL比较器1的另一个输入端接固定电平；待测输入信号中的另一路经过交流耦合与直流偏置电路2后，输入到PECL比较器2的一个输入端，PECL比较器2的另一个输入端接固定电平；两个PECL比较器的输出分别输入到PECL集成鉴相鉴频器的两个输入端；所述集成鉴相鉴频器的双端输出分别连接到差分输入式有源比例积分滤波器的两个输入端；所述有源比例积分滤波器的输出信号输入到双极性A/D转换器的模拟电压输入端；所述双极性A/D转换器输出的数字信号输入到微控制器MCU的数据线；所述微控制器MCU对A/D转换器转换的数字信号进行计算，将计算的相位差结果输出到显示器显示。
本发明的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量电路，所述差分输入式有源比例积分滤波器由一个正、负双电源供电的高速、低失调集成运算放大器与外围电阻、电容元件构成。
本发明的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量电路，其特征在于：所述双极性A/D转换器是一种特殊的A/D转换器，通过编程配置，使其输入模拟电压数值的绝对值小于等于参考电压的4倍时，都能够准确实现模数转换。
本发明的有益效果是：提出一种新型的相位差测量方法，通过PECL比较器整形，利用PECL集成鉴频鉴相器和双极性A/D转换器，能够实现正弦波、锯齿波、三角波、矩形波等相同或不同波形信号之间的相位差测量，而且测量精度高，可测信号频率高，电路较为简单。同时扩展了集成鉴频鉴相器的应用领域。
附图说明
附图1为本发明的电原理框图；附图2为本发明的部分电路图，含两个交流耦合与直流偏置电路、两个PECL比较器、PECL鉴相鉴频器、差分输入式有源比例积分滤波器；附图3为本发明的鉴相鉴频器工作波形图。
图中：1交流耦合与直流偏置电路1，2交流耦合与直流偏置电路2，3差分输入式有源比例积分滤波器。
具体实施方式
结合附图，本发明的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量方法，按照以下步骤进行：
a.选取一个PECL电平的集成鉴相鉴频器MCH12140，其两个脉冲输入端分别为R、V，两个鉴相输出端分别为
b.待测输入信号中的一路经过交流耦合与直流偏置电路1，输入到PECL比较器ADCMP553的同相输入端，ADCMP553的反相输入端接固定电平。待测输入信号中的另一路经过交流耦合与直流偏置电路2，输入到另一个PECL比较器ADCMP553的同相输入端，该比较器的反相输入端也接固定电平。两路待测输入信号经过比较器整形后，从比较器的QA输出端分别输入到集成鉴相鉴频器的两个输入端R、V。两个交流耦合与直流偏置电路的结构与参数完全相同，两个比较器反相端的固定电平数值也相同。PECL比较器ADCMP553的输出，可以直接与鉴相鉴频器MCH12140相连。
c.选取正、负双电源供电的高速、低失调集成运算放大器LT1028，与外围电阻、电容元件构成差分输入有源比例积分滤波器，鉴相鉴频器的输出端分别连接到该有源比例积分滤波器的两个输入端。
d.选取一个具有双极性转换模式的A/D转换器AD7656A，有源比例积分滤波器的输出连接到AD7656A的一个模拟电压输入端。
e.选取一个微控制器MCU，用于对A/D转换器的输出数字量进行计算，并将计算的相位差结果输出到显示器显示。
在本方法中，设置直流偏置电路的作用在于，比较器ADCMP553允许的最大输入电压值为Vmax，将比较器的同相输入端、反相输入端的直流工作点都设置为能使可测信号的动态范围最大。
如附图所示，给出了本发明的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量电路，其包括交流耦合与直流偏置电路1(1)、交流耦合与直流偏置电路2(2)、两个PECL比较器、PECL鉴相鉴频器、差分输入有源比例积分滤波器(3)、双极性A/D转换器、微控制器MCU、显示器、辅助电阻R3与R4以及+5V、-5V、+3V等必要的工作电源。
MCH12140的鉴相增益为0.11V/弧度，经过有源比例积分滤器后成为放大了的直流电压。根据图3所示，集成鉴相鉴频器MCH12140只对两个输入脉冲的前沿进行鉴相，输出的鉴相脉冲经过有源比例积分滤器后成为直流电压，根据R、V端输入脉冲的相位关系，有源比例积分滤器输出的直流电压可能为正值，也可能为负值，数值在运算放大器的最大正输出电压Uom+和最大负输出电压Uom-之间变化。本实施例中，若有源比例积分滤器输出的电压为正值，表示输入2的信号相位超前输入1的信号相位；反之，若有源比例积分滤器输出的电压为负值，表示输入1的信号相位超前输入2的信号相位。该有源比例积分滤器输出的电压值线性反应两个输入待测信号之间的相位差，经过双极性A/D转换器AD7656A转换之后，由MCU计算得到待测的相位差值。
AD7656A为16位双极性A/D转换器，其输出编码方式为二进制补码，最高位为符号位，0代表正电压，1代表负电压。MCU根据符号位判断电压的正、负值，然后依据数据求补的结果进行计算。AD7656A的参考电压VREF可采用片内的+2.5V基准电压，也可以外接高稳定度电压源，该A/D转换器的模拟电压输入范围为-4VREF～+4VREF。
MCH12140的鉴相输出经过有源比例积分滤波器后，其总体鉴相增益K如公式(1)所示：
公式(1)中的Uom+、Uom-分别是LT1028实际输出的最大正电压和最大负电压。
为保证测量精度，有源比例积分滤波器电路需要进行调零。输入1端、输入2端分别输入两个相位相同的信号，调节R5、R6的值使LT1028输出的直流电压为零；然后测量并记录下两个待测输入信号的相位差分别为+2π和-2π时，LT1028实际对应输出的Uom+和Uom-值，提供给MCU，由MCU按公式(1)计算鉴相增益K。
本实施例中，双极性A/D转换器AD7656A的参考电压选用片内的+2.5V基准电压；通过编程配置，使其输入模拟电压可测范围为-5V～+5V，即其满量程电压为10V，其最小电压分辨率为0.152mV，保证了相位差的测量精度。
若AD7656A输出的二进制数经过MCU补码运算后得到的十进制数为D10，则实测的相位差弧度数为公式(2)所示：
比较器和鉴相鉴频器都采用了PECL电平器件，工作频率很高，而且ADCMP553比较器的失调电压仅为2mV，对测量精度的影响微乎其微。同时MCH12140的鉴相灵敏度很高。该方案实现的系统实际可以测量频率达500MHz、有效值为20mV～1.06V的两个正弦信号的相位差，可测脉冲信号的动态范围为20mV～3V，测量精度较高。
Claims (5)
1.基于集成鉴相鉴频器的相位差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.选取一个PECL集成鉴相鉴频器，设其两个脉冲输入端分别为R、V，两个鉴相输出端分别为
b.将待测输入信号中的一路经过交流耦合与直流偏置电路1，输入到PECL比较器1的一个输入端，比较器1的另一个输入端接固定电平；将待测输入信号中的另一路经过交流耦合与直流偏置电路2，输入到PECL比较器2的一个输入端，比较器2的另一个输入端接固定电平；两个比较器的输出分别输入到集成鉴相鉴频器的两个输入端R、V；
c.选取一个正、负双电源供电的高速、低失调集成运算放大器，与外围电阻、电容元件构成差分输入式有源比例积分滤波器，鉴相鉴频器的输出端分别连接到有源比例积分滤波器的两个输入端；
d.选取一个具有双极性转换模式的A/D转换器，有源比例积分滤波器的输出连接到A/D转换器的模拟电压输入端；
e.选取一个微控制器MCU，用于对A/D转换器的输出数字量进行计算，并将计算的相位差结果输出到显示器显示。
2.根据权利要求1所述的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量方法，其特征在于：所述步骤d中，A/D转换器是一种特殊的双极性A/D转换器，通过编程配置，使其输入模拟电压数值的绝对值小于等于参考电压的4倍时，都能够准确实现模数转换。
3.基于集成鉴相鉴频器的相位差测量电路，包括两个相同的交流耦合与直流偏置电路、两个相同的用于对输入信号整形的PECL比较器、PECL集成鉴相鉴频器、差分输入式有源比例积分滤波器、双极性A/D转换器、微控制器MCU和显示器，其特征在于：两路待测输入信号中的一路经过交流耦合与直流偏置电路1后，输入到PECL比较器1的一个输入端，PECL比较器1的另一个输入端接固定电平；待测输入信号中的另一路经过交流耦合与直流偏置电路2后，输入到PECL比较器2的一个输入端，PECL比较器2的另一个输入端接固定电平；两个PECL比较器的输出分别输入到PECL集成鉴相鉴频器的两个输入端；所述集成鉴相鉴频器的双端输出分别连接到差分输入式有源比例积分滤波器的两个输入端；所述有源比例积分滤波器的输出信号输入到双极性A/D转换器的模拟电压输入端；所述双极性A/D转换器输出的数字信号输入到微控制器MCU的数据线；所述微控制器MCU对A/D转换器转换的数字信号进行计算，将计算的相位差结果输出到显示器显示。
4.根据权利要求3所述的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量电路，其特征在于：所述差分输入式有源比例积分滤波器由一个正、负双电源供电的高速、低失调集成运算放大器与外围电阻、电容元件构成。
5.根据权利要求3所述的基于集成鉴相鉴频器的相位差测量电路，其特征在于：所述双极性A/D转换器是一种特殊的A/D转换器，通过编程配置，使其输入模拟电压数值的绝对值小于等于参考电压的4倍时，都能够准确实现模数转换。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180904 Termination date: 20190318 |