CN108227541B - 一种非连续模拟差分信号频率与相位采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于模拟信号采集与调理领域。一种非连续模拟差分信号频率与相位采集方法，主要解决非连续模拟差分信号长时间零电平带来的比较器输出震荡问题，信号干扰或电平抖动带来的虚假脉冲问题以及可采集频率但是无法获取相位的问题。所述的非连续模拟差分信号频率与相位采集方法，在传统滤波放大、过零比较、脉冲计数的频率采集电路基础上，通过构建另一路参考信号，消除了等输入时比较器不能正确输出的问题和干扰信号产生的虚假脉冲问题；再通过对过零比较产生的信号和参考信号的调理，产生和模拟输入信号同频同相的方波信号，采用DSP、CPU或可编程逻辑进行捕获，即可得到模拟差分信号的频率与相位信息。

Description

一种非连续模拟差分信号频率与相位采集方法
技术领域
本发明属于模拟信号采集与调理领域，具体的说是一种模拟差分信号频率与相位确定的方法。能够准确、实时地采集非连续模拟差分信号的频率和相位信息，可应用于多种发动机的转速、扭矩等信号采集设备中，实现对传感器输出信号的准确采集。
背景技术
模拟信号的频率可以实时反映信号的变化速度或加速度信息，模拟信号的相位可以实时反映信号的位置信息或状态信息，这些信息都属于一般周期信号的基础参数,在发动机转速、扭矩等信号采集中应用广泛，准确采集传感器输出的模拟信号频率和相位，是实现控制功能的基础和前提。然而DSP、CPU或可编程逻辑器件无法直接对传感器输出的模拟信号进行处理，需要首先将模拟信号进行调理，将其转化为包含原始信号频率与相位信息的数字信号。
目前实现模拟信号转化为数字信号的方法主要是传统的滤波放大、过零比较电路，这主要适用于连续的模拟信号输入。但是对于非连续的模拟信号，在过零比较电路工作时，由于长时间零电平引起比较器正负两端电压相等，造成输出震荡；输入的低频信号干扰或零电平时的抖动会引起比较器输出虚假脉冲；若改变比较器的比较门限，可以正确采集信号频率但是无法获取原始信号的相位。
发明内容
本发明的目的在于克服上述模拟信号采集方法的不足，提出了一种非连续模拟信号频率与相位采集方法，能够有效滤除错误判断产生的脉冲，实现对模拟信号频率与相位的准确采集。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
非连续模拟差分信号频率与相位采集电路的组成包括钳位滤波电路、比例放大电路、过零比较电路、参考脉冲产生电路、同频同相调理电路和DSP、CPU或可编程逻辑采集电路。
钳位滤波电路由电阻、电容、二极管组成，滤除高频干扰，同时对输入信号进行限幅。
比例放大电路是由运放和电阻组成的差分放大器，放大倍数由输入电阻和反馈电阻决定。
过零比较电路和参考脉冲产生电路由比较器、电阻和参考电平组成，具有滞回功能，用来产生过零比较信号和参考方波信号。
同频同相调理电路由触发器组成，用来生成一路和非连续模拟信号同频同相的方波信号，滤除前端信号可能引入的等输入时比较器错误输出或干扰信号产生的虚假脉冲。
DSP、CPU或可编程逻辑采集电路，用来提取方波信号的频率和相位信息。
所述非连续模拟差分信号频率与相位采集方法，其具体工作过程如下：
步骤1：将非连续模拟差分信号接入钳位滤波电路，得到限幅和滤波后的信号Ui+和Ui-；其中，二极管V1、二极管V2、二极管V3、二极管V4构成的钳位电路将输入电压范围限制在[-5V，5V]的区间，R1、C1和R2、C2分别构成低通滤波，可以滤除高频干扰；
步骤2：将Ui+和Ui-接到差分比例放大电路，转换为放大后的单端信号Ui；其中，运算放大器D1、R3、R4、R5构成差分放大器；
步骤3：将Ui接到过零比较电路和参考脉冲产生电路，生成两路方波信号，一路为Ui和零电平比较后的信号U1，一路为Ui和参考电平比较后的信号U2，参考电平的选择应该大于干扰信号的幅值，小于需采集模拟信号的幅值；其中，比较器D2、R6、R7、R8构成过零比较器，比较器D3、R9、R10、R11构成参考方波输出生成器；
步骤4：将U1和U2接入同频同相调理电路，通过对触发器清零端的设计，触发器清零端：将U1接入触发器D4的时钟端和反相器D7的输入端，将+5V接入触发器D4、触发器D5、触发器D6的输入端，将U2、+5V、反相器D7的输出端分别接入触发器D4、触发器D5、触发器D6的清零端CLR，将触发器D4的输出端接入触发器D5的时钟端，将触发器D5的输出端接入触发器D6的时钟端；
构造出一路和非连续模拟信号同频同相的方波信号Uo，Uo去除了前端信号可能引入的等输入时比较器错误输出或干扰信号产生的虚假脉冲；其中，触发器D4、触发器D5、触发器D6、反相器D7构成同频同相方波生成器；步骤5：将Uo接入DSP、CPU或可编程逻辑采集电路，通过脉冲计数方法计算其频率，通过捕捉上升沿获得其相位，这就实现了对非连续模拟差分信号频率与相位的采集。
所述步骤1中钳位滤波电路由电阻、电容、二极管组成，滤除高频干扰，同时对输入信号进行限幅。
所述步骤2中比例放大电路是由运放和电阻组成的差分放大器，放大倍数由输入电阻和反馈电阻决定。
所述步骤3过零比较电路和参考脉冲产生电路由比较器、电阻和参考电平组成，具有滞回功能，用来产生过零比较信号U1和参考方波信号U2。
所述步骤4同频同相调理电路由触发器组成，用来生成一路和非连续模拟信号同频同相的方波信号Uo，滤除前端信号可能引入的等输入时比较器错误输出或干扰信号产生的虚假脉冲。
所述步骤5中DSP、CPU或可编程逻辑采集电路，用来提取方波信号Uo的频率和相位信息。
本发明的效果可以通过以下三点说明：
采用低通滤波电路消除了模拟信号输入中的高频干扰信号，同时保证在频率范围内的精度要求。
构建参考信号，消除了等输入时比较器不能正确输出的问题和干扰信号产生的虚假脉冲问题。
构建同频同相调理电路，产生和模拟输入信号同频同相的方波信号，避免了能采集频率但是不能准确采集模拟信号相位信息的问题。
附图说明
图1是非连续模拟差分信号频率与相位采集方法的系统原理图
图2是钳位滤波电路原理图
图3是比例放大电路原理图
图4是过零比较电路原理图
图5是参考脉冲产生电路原理图
图6是同频同相调理电路原理图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
请同时参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6，图1是非连续模拟差分信号频率与相位采集方法的系统原理图，图2是钳位滤波电路原理图，图3是比例放大电路原理图，图4是过零比较电路原理图，图5是参考脉冲产生电路原理图，图6是同频同相调理电路原理图。
步骤1：将非连续模拟差分信号接入钳位滤波电路，得到限幅和滤波后的信号Ui+和Ui-。其中，V1、V2、V3、V4构成的钳位电路将输入电压范围限制在[-5V，5V]的区间，R1、C1和R2、C2分别构成低通滤波，可以滤除高频干扰。根据不同信号输入范围，滤波参数可通过变化R1、C1、R2、C2进行调整。该滤波电路的截止频率为f＝1/(2×3.14×R1×C1)和f＝1/(2×3.14×R2×C2)。
步骤2：将Ui+和Ui-接到差分比例放大电路，转换为放大后的单端信号Ui。其中，D1、R3、R4、R5构成差分放大器，R4和R5阻值都等于R，放大后的单端信号Ui＝R3*(Ui+-Ui-)/R。
步骤3：将Ui接到过零比较电路和参考脉冲产生电路，生成两路方波信号，一路为Ui和零电平比较后的信号U1，一路为Ui和参考电平比较后的信号U2，参考电平的选择应该大于干扰信号的幅值，小于需采集模拟信号的幅值。其中，D2、R6、R7、R8构成具有迟滞功能的过零比较器，D3、R9、R10、R11构成具有迟滞功能的参考方波输出生成器。此时，U1中可能会夹杂干扰引入的错误脉冲，或零电平无法比较引入的比较器输出震荡；U2中没有干扰脉冲，但是和模拟输入信号相位不同。
步骤4：将U1和U2接入同频同相调理电路，通过对触发器清零端的设计构造出一路和非连续模拟信号同频同相的方波信号Uo，Uo去除了前端U1信号可能引入的等输入时比较器错误输出或干扰信号产生的虚假脉冲,又解决了U2和模拟输入信号相位不同的问题。
步骤5：将Uo接入DSP、CPU或可编程逻辑采集电路，通过脉冲计数等方法可计算其频率，通过捕捉上升沿可获得其相位，这就实现了对非连续模拟差分信号频率与相位的采集。
实际工作中，本发明已用于某型电子控制器的传感器处理电路中，经过各种系统试验验证和装机验证，系统运行稳定可靠，能够实现非连续模拟差分信号频率与相位的准确采集，并且在各类试验中精度和量程都能满足要求。

Claims (6)

1.一种非连续模拟差分信号频率与相位采集方法，其特征在于：通过以下步骤；
步骤1：将非连续模拟差分信号接入钳位滤波电路，得到限幅和滤波后的信号Ui+和Ui-；其中，二极管V1、二极管V2、二极管V3、二极管V4构成的钳位电路将输入电压范围限制在[-5V，5V]的区间，R1、C1和R2、C2分别构成低通滤波，可以滤除高频干扰；
步骤2：将Ui+和Ui-接到差分比例放大电路，转换为放大后的单端信号Ui；其中，运算放大器D1、R3、R4、R5构成差分放大器；
步骤3：将Ui接到过零比较电路和参考脉冲产生电路，生成两路方波信号，一路为Ui和零电平比较后的信号U1，一路为Ui和参考电平比较后的信号U2，参考电平的选择应该大于干扰信号的幅值，小于需采集模拟信号的幅值；其中，比较器D2、R6、R7、R8构成过零比较器，比较器D3、R9、R10、R11构成参考方波输出生成器；
步骤4：将U1和U2接入同频同相调理电路，通过对触发器清零端的设计，触发器清零端：将U1接入触发器D4的时钟端和反相器D7的输入端，将+5V接入触发器D4、触发器D5、触发器D6的输入端，将U2、+5V、反相器D7的输出端分别接入触发器D4、触发器D5、触发器D6的清零端CLR，将触发器D4的输出端接入触发器D5的时钟端，将触发器D5的输出端接入触发器D6的时钟端；
构造出一路和非连续模拟信号同频同相的方波信号Uo，Uo去除了前端信号可能引入的等输入时比较器错误输出或干扰信号产生的虚假脉冲；其中，触发器D4、触发器D5、触发器D6、反相器D7构成同频同相方波生成器；步骤5：将Uo接入DSP、CPU或可编程逻辑采集电路，通过脉冲计数方法计算其频率，通过捕捉上升沿获得其相位，这就实现了对非连续模拟差分信号频率与相位的采集。
2.根据权利要求1所述的一种非连续模拟差分信号频率与相位采集方法，其特征在于：所述步骤1中钳位滤波电路由电阻、电容、二极管组成，滤除高频干扰，同时对输入信号进行限幅。
3.根据权利要求1所述的一种非连续模拟差分信号频率与相位采集方法，其特征在于：所述步骤2中比例放大电路是由运放和电阻组成的差分放大器，放大倍数由输入电阻和反馈电阻决定。
4.根据权利要求1所述的一种非连续模拟差分信号频率与相位采集方法，其特征在于：所述步骤3过零比较电路和参考脉冲产生电路由比较器、电阻和参考电平组成，具有滞回功能，用来产生过零比较信号U1和参考方波信号U2。
5.根据权利要求1所述的一种非连续模拟差分信号频率与相位采集方法，其特征在于：所述步骤4同频同相调理电路由触发器组成，用来生成一路和非连续模拟信号同频同相的方波信号Uo，滤除前端信号可能引入的等输入时比较器错误输出或干扰信号产生的虚假脉冲。
6.根据权利要求1所述的一种非连续模拟差分信号频率与相位采集方法，其特征在于：所述步骤5中DSP、CPU或可编程逻辑采集电路，用来提取方波信号Uo的频率和相位信息。
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