CN108132448B - 用于相位发生器相位零点校准的装置及方法 - Google Patents

用于相位发生器相位零点校准的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于相位发生器相位零点校准的装置，其幅度控制模块，用于对两路输入正弦信号幅度进行调整，使其在相乘型鉴相器的允许输入幅度范围之内；信号调换模块，用于在正交鉴相运算过程中将经幅度控制模块调整后的两路输入正弦信号进行对调；相乘型鉴相器，用于对两路正弦信号进行乘法运算；低通滤波器，用于从相乘型鉴相器输出的正弦信号中提取包含相位差信息的直流偏置电压；AD采样模块，用于将通过低通滤波器提取得到的直流偏置电压转换为数字量；控制及显示模块，用于对幅度控制模块和信号调换模块实施控制，将AD采样模块转换获得的数字量进行正交鉴相运算，实时修正被测信号相位差，显示相位零点误差，完成相位零点校准。

Description

用于相位发生器相位零点校准的装置及方法
技术领域
本发明涉及相位校准技术。更具体地，涉及一种用于相位发生器相位零点校准的装置和方法。
背景技术
相位发生器是同时输出两路具有一定相位差的同频率信号的一种双通道信号发生器，广泛用于对相位计、频率响应分析仪等相位测量设备的校准。作为标准设备的相位发生器，首先要保证设定相位和输出相位为线性关系，其次要保证其相位零点，即输出信号通道间相位差为零。随着相位测量频率范围的扩展和测量准确度的提高，对相位发生器的频率范围和输出相位准确度等性能均提出了更高的要求，而国内已建立的100kHz以下的低频相位标准无法完全满足要求。信号发生器是一种常见的通用电子设备，两个信号发生器或双通道信号发生器可以组建一个相位发生器，其中双通道任意波形发生器工作频率范围较宽，且能够提供优异的输出相位线性度，可以作为相位发生器的信号产生部分，但其通道一致性无法满足作为标准相位发生器的要求，表现为1)信号发生器通道间传输链路差异造成的相位零点固有误差；2)外部噪声干扰、频率/幅度的改变造成的相位零点随机误差。
因此，需要提供一种用于相位发生器相位零点校准的装置及方法，实现对相位发生器通道间相位差的精确测量及相位零点控制。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种用于相位发生器相位零点校准的装置。
本发明的另一个目的在于提供一种用于相位发生器相位零点校准的方法。
为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于相位发生器相位零点校准的装置，该装置包括：
幅度控制模块，用于对两路输入正弦信号幅度进行调整，使其在相乘型鉴相器的允许输入幅度范围之内；
信号调换模块，用于在正交鉴相运算过程中将经幅度控制模块调整后的两路输入正弦信号进行对调；
相乘型鉴相器，用于对两路正弦信号进行乘法运算；
低通滤波器，用于从相乘型鉴相器输出的正弦信号中提取包含相位差信息的直流偏置电压；
AD采样模块，用于将通过低通滤波器提取得到的直流偏置电压转换为数字量；
控制及显示模块，用于对幅度控制模块和信号调换模块实施控制，将AD采样模块转换获得的数字量进行正交鉴相运算，实时修正被测信号相位差，并在最终完成校准后显示相位零点误差。
优选地，所述幅度控制模块包含多级衰减档位。
优选地，所述相乘型鉴相器进行乘法运算的方式如下：当两路正弦信号分别为cosωt和cos(ωt+α)时，经过鉴相器后的输出信号为cosωt×cos(ωt+α)＝(cos(2ωt+α)+cosα)/2，其中α为两正弦信号之间的相位差。
达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于相位发生器相位零点校准的方法，所述方法包括如下步骤：
采用幅度控制模块对输入的具有可调相位差的被测的两路正弦信号幅度进行调整，使其在相乘型鉴相器的允许输入幅度范围之内；
采用信号调换模块将在正交鉴相运算过程中经幅度控制模块调整后的两路输入正弦信号进行对调；
采用相乘型鉴相器对两路正弦信号进行乘法运算；
采用低通滤波器从相乘型鉴相器输出的正弦信号中提取包含相位差信息的直流偏置电压；
采用控制及显示模块对幅度控制模块和信号调换模块实施控制，将AD采样模块转换获得的数字量进行正交鉴相运算，实时修正被测信号相位差，并在最终完成校准后显示相位零点误差。
优选地，所述实时修正的方法为：利用正交鉴相运算，得到一次相位零点修正值，将此修正值补偿至被测信号相位差，重复正交鉴相运算，不断将最近一次得到的相位零点修正值补偿至上一次修正后的被测信号相位差，直至相位零点修正值不大于相位发生器相位分辨力。
优选地，所述正交鉴相运算的运算过程如下所示：
设置所述两路正弦信号相位差为90°，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure BDA0001525133660000031
保持所述两路正弦信号相位差为90°，对调相乘型鉴相器的两路输入信号，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure BDA0001525133660000032
设置所述两路正弦信号相位差为270°，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure BDA0001525133660000033
保持所述两路正弦信号相位差为270°，对调相乘型鉴相器的两路输入信号，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure BDA0001525133660000034
按式(5)和(6)消掉经过乘法器后产生的直流偏置干扰
Figure BDA0001525133660000035
Figure BDA0001525133660000036
当
Figure BDA0001525133660000037
和
Figure BDA0001525133660000038
为微小量时，
Figure BDA0001525133660000039
则按式(7)消掉系统链路误差
Figure BDA00015251336600000310
得相位零点修正值为
Figure BDA00015251336600000311
其中，
Figure BDA00015251336600000312
为相位发生器相位零点误差，
Figure BDA00015251336600000313
为相位零点校准装置传输链路误差，UDC为传输链路直流偏置。
优选地，所述相位零点校准装置运行时，相位发生器输出频率、幅度保持不变；若任一参数发生改变，则需重新校准相位零点。
本发明的有益效果如下：
本发明的用于相位发生器相位零点校准的装置及方法解决100kHz以上的较宽频率范围内相位发生器由于相位零点偏移导致输出相位误差的问题。该方法可实现频率范围至10MHz的相位发生器相位零点的校准。此外，本发明的技术方案中，基于正交鉴相原理对相位发生器进行相位零点校准，保证了相位发生器的输出相位的长期稳定性，进而保障了低频相位测量的准确和可靠。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例中一种用于相位发生器相位零点校准的装置的示意图。
图2示出本发明实施例中一种用于相位发生器相位零点校准的方法的流程图。
图3示出本发明实施例中用于相位发生器相位零点校准的方法的一个具体示例的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一个实施例提供一种用于相位发生器相位零点校准的装置，该装置包括：幅度控制模块1、幅度控制模块2、信号调换模块3、相乘型鉴相器4、低通滤波器5、AD采样模块6、控制及显示模块7。其中，图中的被校相位发生器输出两路具有可调相位差的正弦信号，以等长连接线接入相位零点校准装置。
该装置中，幅度控制模块1、2，根据控制信号a、b的指令，分别对相位发生器输出的两路正弦信号幅度进行调整，控制信号a、b由控制模块根据提取的波形参数形成，将幅度控制模块置于合适的衰减、放大档位；
信号调换模块3，在正交鉴相运算中需要-90°和-270°的鉴相输出时，根据控制信号c的指令，在相乘型鉴相器之前对调两路信号；
相乘型鉴相器4，通过对两路正弦信号进行乘法运算实现鉴相功能，其输出的正弦信号中包含携带相位信息的直流偏置电压；
低通滤波器5，滤除相乘型鉴相器输出的交流信号，仅输出携带相位差信息的直流偏置电压；
AD采样模块6，将低通滤波器5输出的直流电压转换为数字量；
控制及显示模块7，通过输出控制信号a、b、c对幅度控制模块1、2和信号调换模块3实施控制，将滤波采样后的直流电压值存储并进行正交鉴相运算，通过反馈回路实时修正相位发生器输出相位，并在最终完成校准后显示相位零点误差。
由于低通滤波器5和AD采样模块6常见于记录器、数据采集器、数字电压表等通用设备的前端，为了确保测量稳定性，可以选用具备高采样分辨率的数字电压表提取鉴相输出的直流偏置电压，其直流电压测量准确度可至±10-5量级，满足对于小电压测量准确度的要求。
在一个优选示例中，所述幅度控制模块包含多级衰减档位，以适应相位发生器较宽的输出幅度范围。
在又一个优选示例中，所述相乘型鉴相器进行乘法运算的方式如下：当两路正弦信号分别为cosωt和cos(ωt+α)时，其中，α为两同频率信号之间的相位差，经过鉴相器后的输出信号为cosωt×cos(ωt+α)＝(cos(2ωt+α)+cosα)/2，其中cosα为携带相位差，即为鉴相器输出信号的直流偏置。
本发明的实施例中还提供一种用于相位发生器相位零点校准的方法，如图2所示，该方法包括如下步骤：
采用幅度控制模块对输入的具有可调相位差的被测的两路正弦信号幅度进行调整，使其在相乘型鉴相器的允许输入幅度范围之内；
采用信号调换模块将在正交鉴相运算过程中经幅度控制模块调整后的两路输入正弦信号进行对调；
采用相乘型鉴相器对两路正弦信号进行乘法运算；
采用低通滤波器从相乘型鉴相器输出的正弦信号中提取包含相位差信息的直流偏置电压；
采用控制及显示模块对幅度控制模块和信号调换模块实施控制，将AD采样模块转换获得的数字量进行正交鉴相运算，实时修正被测信号相位差，并在最终完成校准后显示相位零点误差。
在一个具体示例中，所述方法包括如下步骤：
将具有可调相位差的两路被测正弦信号接入相位零点校准装置；
依次改变被测信号相位差为90°、-90°、-270°、270°，记录或存储鉴相输出中携带相位差信息的直流偏置电压值；
利用记录或存储的数据基于正交鉴相原理进行运算，得到一次相位零点修正值；
将此修正值补偿至被测信号相位差，重复正交鉴相运算，不断将最近一次得到的相位零点修正值补偿至上一次修正后的被测信号相位差，直至相位零点修正值不大于相位发生器相位分辨力。
在又一个优选示例中，所述实时修正的方法为：利用正交鉴相运算，得到一次相位零点修正值，将此修正值补偿至被测信号相位差，重复正交鉴相运算，不断将最近一次得到的相位零点修正值补偿至上一次修正后的被测信号相位差，直至相位零点修正值不大于相位发生器相位分辨力。
优选地，所述正交鉴相运算的运算过程如下所示：
设置所述两路正弦信号相位差为90°，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure BDA0001525133660000061
保持所述两路正弦信号相位差为90°，对调相乘型鉴相器的两路输入信号，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure BDA0001525133660000062
设置所述两路正弦信号相位差为270°，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure BDA0001525133660000063
保持所述两路正弦信号相位差为270°，对调相乘型鉴相器的两路输入信号，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure BDA0001525133660000064
按式(5)和(6)消掉经过乘法器后产生的直流偏置干扰
Figure BDA0001525133660000065
Figure BDA0001525133660000066
当
Figure BDA0001525133660000067
和
Figure BDA0001525133660000068
为微小量时，
Figure BDA0001525133660000069
则按式(7)消掉系统链路误差
Figure BDA00015251336600000610
得相位零点修正值为
Figure BDA00015251336600000611
其中，
Figure BDA00015251336600000612
为相位发生器相位零点误差，
Figure BDA00015251336600000613
为相位零点校准装置传输链路误差，UDC为传输链路直流偏置。
优选地，所述相位零点校准装置运行时，相位发生器输出频率、幅度保持不变；若任一参数发生改变，则需重新校准相位零点。
在又一个更具体的示例中，如图3所示，所述方法包括如下步骤：
S1、被校相位发生器输出两路具有可调相位差的正弦信号，以等长连接线接入相位零点校准装置；
S2、相位发生器输出相位置于90°，将AD采样模块输出R1存储于控制模块；
S3、保持相位发生器输出相位不变，控制模块形成信号调换模块的控制信号3，对调两路信号，将此时的AD采样模块输出R2存储于控制模块；
S4、相位发生器输出相位置于270°，将AD采样模块输出R3存储于控制模块；
S5、保持相位发生器输出相位不变，控制模块形成信号调换模块的控制信号3，对调两路信号，将此时的AD采样模块输出R4存储于控制模块；
S6、利用所采集的数据进行正交鉴相运算，得到一次相位零点修正值；
S7、判断该相位零点修正值是否小于相位发生器相位分辨力，若“否”，则执行S8，若“是”，则完成校准并显示相位零点误差；
S8、将此修正值补偿至相位发生器输出相位，重复正交鉴相运算，直至相位零点修正值不大于相位发生器相位分辨力。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种用于频率范围在100kHz至10MHz的相位发生器相位零点校准的装置，其特征在于，该装置包括：
幅度控制模块，用于对两路输入正弦信号幅度进行调整，使其在相乘型鉴相器的允许输入幅度范围之内；
信号调换模块，用于在正交鉴相运算过程中将经幅度控制模块调整后的两路输入正弦信号进行对调；
相乘型鉴相器，用于对两路正弦信号进行乘法运算；
低通滤波器，用于从相乘型鉴相器输出的正弦信号中提取包含相位差信息的直流偏置电压；
AD采样模块，与所述低通滤波器直接相连，用于将通过低通滤波器提取得到的直流偏置电压转换为数字量；
控制及显示模块，用于对幅度控制模块和信号调换模块实施控制，将AD采样模块转换获得的数字量进行正交鉴相运算，实时修正被测信号相位差，并在最终完成校准后显示相位零点误差，
其中，所述正交鉴相运算的运算过程如下所示：
设置所述两路正弦信号相位差为90°，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure FDF0000011383970000011
保持所述两路正弦信号相位差为90°，对调相乘型鉴相器的两路输入信号，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure FDF0000011383970000012
设置所述两路正弦信号相位差为270°，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure FDF0000011383970000013
保持所述两路正弦信号相位差为270°，对调相乘型鉴相器的两路输入信号，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure FDF0000011383970000014
按式(5)和(6)消掉经过乘法器后产生的直流偏置干扰
Figure FDF0000011383970000015
Figure FDF0000011383970000016
当
Figure FDF0000011383970000017
和
Figure FDF0000011383970000018
为微小量时，
Figure FDF0000011383970000019
则按式(7)消掉系统链路误差
Figure FDF00000113839700000110
得相位零点修正值为
Figure FDF0000011383970000021
其中，
Figure FDF0000011383970000022
为相位发生器相位零点误差，
Figure FDF0000011383970000023
为相位零点校准装置传输链路误差，UDC为传输链路直流偏置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述幅度控制模块包括多级衰减档位。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相乘型鉴相器进行乘法运算的方式如下：当两路正弦信号分别为cosωt和cos(ωt+α)时，经过鉴相器后的输出信号为cosωt×cos(ωt+α)＝(cos(2ωt+α)+cosα)/2，其中α为两正弦信号之间的相位差。
4.一种用于频率范围在100kHz至10MHz的相位发生器相位零点校准的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
采用幅度控制模块对输入的具有可调相位差的被测的两路正弦信号幅度进行调整，使其在相乘型鉴相器的允许输入幅度范围之内；
采用信号调换模块将在正交鉴相运算过程中经幅度控制模块调整后的两路输入正弦信号进行对调；
采用相乘型鉴相器对两路正弦信号进行乘法运算；
采用低通滤波器从相乘型鉴相器输出的正弦信号中提取包含相位差信息的直流偏置电压；
采用与所述低通滤波器直接相连的AD采样模块将通过低通滤波器提取得到的直流偏置电压转换为数字量；
采用控制及显示模块对幅度控制模块和信号调换模块实施控制，将AD采样模块转换获得的数字量进行正交鉴相运算，实时修正被测信号相位差，并在最终完成校准后显示相位零点误差，
其中，
所述正交鉴相运算的运算过程如下所示：
设置所述两路正弦信号相位差为90°，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure FDF0000011383970000024
保持所述两路正弦信号相位差为90°，对调相乘型鉴相器的两路输入信号，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure FDF0000011383970000025
设置所述两路正弦信号相位差为270°，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure FDF0000011383970000031
保持所述两路正弦信号相位差为270°，对调相乘型鉴相器的两路输入信号，此时相乘型鉴相器输出经滤波后输出
Figure FDF0000011383970000032
按式(5)和(6)消掉经过乘法器后产生的直流偏置干扰
Figure FDF0000011383970000033
Figure FDF0000011383970000034
当
Figure FDF0000011383970000035
和
Figure FDF0000011383970000036
为微小量时，
Figure FDF0000011383970000037
则按式(7)消掉系统链路误差
Figure FDF0000011383970000038
得相位零点修正值为
Figure FDF0000011383970000039
其中，
Figure FDF00000113839700000310
为相位发生器相位零点误差，
Figure FDF00000113839700000311
为相位零点校准装置传输链路误差，UDC为传输链路直流偏置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述实时修正的方法为：利用正交鉴相运算，得到一次相位零点修正值，将此修正值补偿至被测信号相位差，重复正交鉴相运算，不断将最近一次得到的相位零点修正值补偿至上一次修正后的被测信号相位差，直至相位零点修正值不大于相位发生器相位分辨力。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相位零点校准装置运行时，相位发生器输出频率、幅度保持不变；若任一参数发生改变，则需重新校准相位零点。
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