CN109116111A - 一种高精度相位差测量方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子测量技术领域，具体涉及一种高精度相位差测量方法及电路。本发明利用高速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，经过电平转换后，由DSP定性判断、初测及误差校正，得到两路信号的准确相位差参数送去显示。综合利用高速鉴相技术和DSP的快速运算与处理，实现对较宽频率范围内的两路同频输入信号间相位差参数的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及电子测量技术领域的相位差测量技术，具体涉及一种高精度相位差测量方法及电路。
背景技术
在通信、仪器仪表等领域，为了实现特定的目的，经常需要对两个同频率信号的相位差进行测量。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。
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较为简单、测量准确的高精度相位差测量方法及电路。
本发明的高精度相位差测量方法，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；b.将两路待测输入信号中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与直流偏置电路后，输入到第一PECL比较器的一个输入端，第一PECL比较器的另一个输入端接固定电平，第一PECL比较器的输出连接到PECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与直流偏置电路后，输入到第二PECL比较器的一个输入端，第二PECL比较器的另一个输入端接固定电平，第二PECL比较器的输出连接到PECL集成鉴相鉴频器的输入端V；c.所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端U接到第一电平转换电路的输入端，第一电平转换电路的输出Vo1接到数字信号处理器DSP的一个GPIO引脚A；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端接到第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出Vo2接到数字信号处理器DSP的另外一个GPIO引脚B；d.所述DSP根据Vo1和Vo2送来的信号性质是正向脉冲还是固定电平，定性判断出两路待测信号的相位关系，并对Vo1或Vo2送来的正向脉冲信号进行定量测算，得到两路待测输入信号的含符号相位差初测值Δθ1；e.输入两路已知频率为1kHz、相位差是π的标准正弦波信号或方波信号，按照所述步骤a～d的方法，测得两路标准信号的含符号相位差值Δθ0；所述DSP按下述公式计算出每弧度相位差的测量误差值：f.所述DSP按下述公式对Δθ1进行误差修正：得到两路待测信号的准确相位差值Δθ，并将测算的相位差结果输出到显示器显示。
本发明的高精度相位差测量方法，其特征在于：所述第一耦合与直流偏置电路和第二耦合与直流偏置电路完全相同；所述第一PECL比较器接固定电平的输入端与第二PECL比较器接固定电平的输入端极性应相同，都是各自比较器的同相输入端，或都是各自比较器的反相输入端；所述第一电平转换电路和第二电平转换电路完全相同。
两个PECL比较器的作用在于整形，待测输入信号可以是正弦波、锯齿波、三角波或矩形波等波形信号，两路输入信号波形相同。经过2个完全相同的PECL比较器的整形，两路输入信号都会变成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。
两路待测信号的相位关系可能是同相，也可能是输入1超前输入2，或者输入1滞后输入2。PECL集成鉴相鉴频器两个脉冲输入端R和V的相位关系直接反映两路待测信号的相位关系，PECL集成鉴相鉴频器的输出状态取决于两个脉冲输入端R和V的相位关系，如果R端输入脉冲超前于V端输入脉冲，则PECL集成鉴相鉴频器的U端输出PECL逻辑正脉冲、端输出PECL逻辑高电平；如果V端输入脉冲超前于R端输入脉冲，则PECL集成鉴相鉴频器的端输出PECL逻辑正脉冲、U端输出PECL逻辑低电平；如果R端输入脉冲与V端输入脉冲同相位，则PECL集成鉴相鉴频器的U端输出PECL逻辑低电平、端输出PECL逻辑高电平。U端或端输出的PECL逻辑正脉冲即是鉴相脉冲，其脉冲宽度与两路输入信号的相位差直接成正比。
两个电平转换器的作用是将PECL逻辑电平转换成TTL/CMOS逻辑电平，将PECL集成鉴相鉴频器输出的PECL逻辑脉冲信号和固定电平转换成DSP可以直接正确识别的TTL/CMOS逻辑脉冲信号或固定电平。
与两路待测信号的相位关系相对应，输入到DSP两个GPIO引脚A、B的信号Vo1、Vo2共有三种情况：(1)Vo1为正向脉冲、Vo2为高电平；(2)Vo2为正向脉冲、Vo1为低电平；(3)Vo1是低电平、Vo2为高电平。这三种情况分别与两路待测输入信号的以下相位关系相对应：(1)输入1超前输入2；(2)输入2超前输入1；(3)输入1与输入2同相。DSP首先根据GPIO引脚A、B中某一引脚的固定高电平或低电平输入来判断哪一路输入信号相位超前，然后利用定时器测量另外一个GPIO引脚输入的TTL/CMOS鉴相脉冲，在输入脉冲上升沿来到时，将定时器打开；在紧随其后的脉冲下降沿来到时，读取并保存定时器的值t1；在下一个脉冲上升沿来到时关闭定时器，读取并保存定时器的值t2，该t2值就是输入脉冲的周期。则两路待测信号的含符号初测相位差弧度数为公式(1)所示：
根据两路待测输入信号的相位关系，若输入1超前输入2，则公式(1)取“+”号；若输入1滞后输入2，则公式(1)取“—”号。
用函数信号发生器产生两路频率为1kHz、相位差是π的标准正弦波信号或方波信号作为待测信号输入，按照前述方法，可以测得两路标准信号的含符号相位差值Δθ0。则每弧度相位差的测量误差值如公式(2)所示：
用公式(3)对两路待测信号的含符号初测相位差Δθ1进行误差修正：
DSP通过公式(2)、公式(3)，计算得到两路待测信号的准确相位差值Δθ。
为保证测量精度，测量过程可进行n次，最终的结果取n次测量的平均值。
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、测量准确的高精度相位差测量电路。
本发明的高精度相位差测量电路，包括：输入1端子，输入2端子，第一耦合与直流偏置电路，第二耦合与直流偏置电路，第一PECL比较器，第二PECL比较器，PECL集成鉴相鉴频器，第一电平转换电路，第二电平转换电路，数字信号处理器DSP，显示器；其特征在于：两路待测输入信号中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与直流偏置电路后，输入到第一PECL比较器的一个输入端，第一PECL比较器的另一个输入端接固定电平，第一PECL比较器的输出连接到PECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与直流偏置电路后，输入到第二PECL比较器的一个输入端，第二PECL比较器的另一个输入端接固定电平，第二PECL比较器的输出连接到PECL集成鉴相鉴频器的输入端V；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端U连接到第一电平转换电路的输入端，第一电平转换电路的输出Vo1接到DSP的一个GPIO引脚；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端连接到第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出Vo2接到DSP的另外一个GPIO引脚；所述DSP根据Vo1和Vo2送来的信号性质是正向脉冲还是固定电平，定性判断出两路待测信号的相位关系，并对Vo1或Vo2送来的正向脉冲信号进行定量测算，得到两路待测输入信号的相位差初测值Δθ1；然后对两路已知频率为1kHz、相位差是π的标准正弦波信号或方波信号进行测量，得到每弧度相位差的测量误差值，由所述DSP根据每弧度相位差的测量误差值进行误差修正，得到两路待测信号的准确相位差值Δθ，并将测算的相位差结果输出到显示器显示。
本发明的高精度相位差测量电路，其特征在于：所述第一耦合与直流偏置电路和第二耦合与直流偏置电路完全相同；所述第一PECL比较器接固定电平的输入端与第二PECL比较器接固定电平的输入端极性应相同，都是各自比较器的同相输入端，或都是各自比较器的反相输入端；所述第一电平转换电路和第二电平转换电路完全相同。
设置直流偏置电路的作用在于，PECL比较器允许的最大输入电压值为Vmax，将两个PECL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。两个耦合与直流偏置电路的结构与参数完全相同，两个PECL比较器固定电平输入端的固定电平数值也相同，这样保证两个PECL比较器输出端的脉冲信号能准确反映两路待测输入信号的相位关系。PECL比较器输出的是PECL逻辑电平信号，可以直接与PECL鉴相鉴频器输入端相连。
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集成鉴频鉴相器的鉴相作用，由DSP测算和误差校正，完成对正弦波、锯齿波、三角波、矩形波等两路同频率、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。
附图说明
图1为本发明的原理框图；图2为本发明的部分电路图，含第一耦合与直流偏置电路、第二耦合与直流偏置电路、第一PECL比较器、第二PECL比较器和PECL集成鉴相鉴频器MC12040；图3为本发明的第一电平转换电路；图4是本发明的第二电平转换电路；图5和图6是本发明的鉴相鉴频器工作波形图。
图2中：1第一耦合与直流偏置电路，2第二耦合与直流偏置电路，3第一PECL比较器，4第二PECL比较器。
具体实施方式
结合附图，本发明的高精度相位差测量方法，按照以下步骤进行：
a.选取一个PECL集成鉴相鉴频器MC12040，其两个脉冲输入端分别为R、V。
b.将两路待测输入信号中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与直流偏置电路后，输入到第一PECL比较器ADCMP553的同相输入端，第一PECL比较器的反相输入端接固定电平，比较器的输出端6脚连接到鉴相鉴频器MC12040的输入端R。待测输入信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与直流偏置电路后，输入到第二PECL比较器ADCMP553的同相输入端，该比较器的反相输入端接固定电平，该比较器的输出端6脚连接到MC12040的输入端V。
c.PECL集成鉴相鉴频器MC12040的输出端U接到第一电平转换电路TLV3501的同相输入端，TLV3501的反相输入端接由电阻分压得到的+3.6V电平，TLV3501的输出端5脚电压Vo1接到数字信号处理器TMS320F2811的一个GPIO引脚A。MC12040的输出端接到第二电平转换电路TLV3501的同相输入端，该TLV3501的反相输入端也接由电阻分压得到的+3.6V电平，该TLV3501的输出端5脚电压Vo2连接到TMS320F2811的另外一个GPIO引脚B。
d.TMS320F2811根据Vo1和Vo2送来的信号性质是正向脉冲还是固定电平，定性判断出两路待测信号的超前、滞后或同相的相位关系，并对Vo1或Vo2送来的正向脉冲信号进行定量测算，得到两路待测输入信号的含符号相位差初测值Δθ1。
e.利用函数信号发生器产生两路已知频率为1kHz的标准正弦波信号或方波信号，信号1的相位超前信号2的相位π弧度。将信号1从输入1端子引入，信号2从输入2端子引入，按照前述步骤a～d的方法，测得两路标准信号的含符号相位差值Δθ0；由TMS320F2811按公式(2)计算出每弧度相位差的测量误差值。
f.TMS320F2811按公式(3)对Δθ1进行误差修正，得到两路待测信号的准确相位差值Δθ，并将测算的相位差结果输出到显示器显示。
电平转换电路采用高速比较器TLV3501及其外围电阻构成，两个电路结构及参数完全相同，分别将集成鉴相鉴频器U端和端的PECL逻辑电平信号转换成TTL/CMOS逻辑电平信号输出。这种TTL/CMOS逻辑电平信号输入到DSP的GPIO端子，才能确保DSP正确判断输入信号的电平高低，正确区分脉冲上升沿、下降沿。
如附图所示，给出了本发明的高精度相位差测量电路，其包括：输入1端子、输入2端子、第一耦合与直流偏置电路(1)、第二耦合与直流偏置电路(2)、第一PECL比较器(3)、第二PECL比较器(4)、PECL集成鉴相鉴频器MC12040、第一电平转换电路、第二电平转换电路、数字信号处理器TMS320F2811、显示器以及必要的+5V工作电源、+3V工作电源。
如附图2所示，PECL比较器采用ADCMP553构成，两个比较器电路结构和参数完全相同。
待测输入信号1经过第一耦合与直流偏置电路(1)，输入到第一PECL比较器(3)的同相输入端，第一PECL比较器(3)的反相输入端接固定电平。待测输入信号2经过第二耦合与直流偏置电路(2)，输入到第二PECL比较器(4)的同相输入端，第二PECL比较器(4)的反相输入端也接固定电平。两路待测输入信号经过PECL比较器整形后，从各自PECL比较器的输出端6脚分别输入到PECL集成鉴相鉴频器MC12040的两个输入端R、V。
集成鉴相鉴频器MC12040实际有四个输出端子U、D、根据需要只使用U、两个输出端。MC12040对R、V两个输入脉冲的前沿进行比相，从MC12040的U端和端输出鉴相脉冲或固定电平信号，该鉴相脉冲能准确反映两个未经变换的输入波形之间的相位关系，其工作波形如附图5所示。如果MC12040输入端R的脉冲相位超前输入端V的脉冲相位，则U端输出PECL逻辑正向脉冲，端输出PECL逻辑高电平；如果MC12040输入端R的脉冲相位滞后输入端V的脉冲相位，则U端输出PECL逻辑低电平，端输出PECL逻辑正向脉冲；当MC12040输入端R的脉冲与输入端V的脉冲相位相同时，其输出U端为PECL逻辑低电平，端为PECL逻辑高电平。
如附图3、附图4所示，电平转换电路采用高速比较器TLV3501及其外围电阻构成，两个电路结构及参数完全相同，分别将U端和端的PECL逻辑电平信号转换成TTL/CMOS逻辑电平信号输出。这种TTL/CMOS逻辑电平信号输入到DSP的GPIO端子，才能确保DSP正确判断输入脉冲的电平高低以及脉冲上升沿、下降沿。
MC12040的输出端U经过第一电平转换电路后连接到数字信号处理器TMS320F2811的GPIO其中一个引脚(设为A脚)，MC12040的输出端经过第二电平转换电路后连接到数字信号处理器TMS320F2811的另外一个GPIO引脚(设为B脚)，TMS320F2811将两个GPIO引脚A、B都配置为输入引脚。
TMS320F2811分三步进行相位差测算：第一步，定性判断；第二步，定量初测算；第三部，误差修正。
第一步，定性判断。TMS320F2811根据两个GPIO输入引脚的信号性质，定性判断出两路待测信号的超前、滞后或同相的相位关系。具体是：如果A脚是低电平、B脚是高电平，则判定两路待测输入信号同相位，即相位差为零；如果B脚是高电平，A脚是电平变化的脉冲信号，则判定从输入1端子引入的待测信号相位超前从输入2端子引入的信号相位；如果A脚是低电平，B脚是电平变化的脉冲信号，则判定从输入1端子引入的待测信号相位滞后从输入2端子引入的信号相位。TMS320F2811将这种相位关系存储下来，并规定输入1的信号相位超前输入2的信号相位，其相位差为正值；反之，相位差为负值。
第二步，定量初测算。TMS320F2811利用定时器功能对A脚或B脚输入的正向鉴相脉冲进行测算。当GPIO引脚输入的正向鉴相脉冲上升沿来到时，将定时器打开；在紧随其后的脉冲下降沿来到时，读取并存储定时器的值t1；在下一个上升沿来到时关闭定时器，读取并存储定时器的值t2。其工作过程如附图6所示。则初测的两路待测信号相位差弧度数为公式(1)所示。
第三步，误差修正。利用函数信号发生器产生两路已知频率为1kHz的标准正弦波信号或方波信号，信号1的相位超前信号2的相位π弧度。将信号1从输入1端子引入，信号2从输入2端子引入，按照前述定性判断和定量初测算的方法，测得两路标准信号的含符号相位差值Δθ0。然后，由TMS320F2811按公式(2)、公式(3)对Δθ1进行误差修正，得到两路待测信号的准确相位差值Δθ。
为保证测量精度，整个测量过程可进行n次，最终的结果取n次测量的平均值。TMS320F2811将最终的测量结果送去显示器直观显示出来。
为提高电路的工作频率，DSP选用TMS320F2811，TMS320F281x系列DSP的最高主频为150MHz，这样，整个测量电路的工作频率上限就取决于鉴相鉴频器MC12040的工作频率，最高可达80MHz。而比较器ADCMP553为PECL器件，工作频率可达700MHz，失调电压仅为2mV左右，对测量精度的影响微乎其微。
本实施例中，实际可以测量有效值为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。
本发明利用高速比较器对两路被测信号分别进行整形，整形后的两路信号再由集成鉴相鉴频器比相，然后通过电平转换得到TTL/CMOS电平信号，由DSP测算和误差校正得到准确的相位差参数。电路简单、测量准确、工作频率范围宽，还扩展了集成鉴相鉴频器的应用领域。
Claims (4)
1.一种高精度相位差测量方法，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；
b.将两路待测输入信号中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与直流偏置电路后，输入到第一PECL比较器的一个输入端，第一PECL比较器的另一个输入端接固定电平，第一PECL比较器的输出连接到PECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与直流偏置电路后，输入到第二PECL比较器的一个输入端，第二PECL比较器的另一个输入端接固定电平，第二PECL比较器的输出连接到PECL集成鉴相鉴频器的输入端V；
c.所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端U接到第一电平转换电路的输入端，第一电平转换电路的输出Vo1接到数字信号处理器DSP的一个GPIO引脚A；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端接到第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出Vo2接到数字信号处理器DSP的另外一个GPIO引脚B；
d.所述DSP根据Vo1和Vo2送来的信号性质是正向脉冲还是固定电平，定性判断出两路待测信号的相位关系，并对Vo1或Vo2送来的正向脉冲信号进行定量测算，得到两路待测输入信号的含符号相位差初测值Δθ1；
e.输入两路已知频率为1kHz、相位差是π的标准正弦波信号或方波信号，按照所述步骤a～d的方法，测得两路标准信号的含符号相位差值Δθ0；所述DSP按下述公式计算出每弧度相位差的测量误差值：
f.所述DSP按下述公式对Δθ1进行误差修正：得到两路待测信号的准确相位差值Δθ，并将测算的相位差结果输出到显示器显示。
2.根据权利要求1所述的高精度相位差测量方法，其特征在于：所述第一耦合与直流偏置电路和第二耦合与直流偏置电路完全相同；所述第一PECL比较器接固定电平的输入端与第二PECL比较器接固定电平的输入端极性应相同，都是各自比较器的同相输入端，或都是各自比较器的反相输入端；所述第一电平转换电路和第二电平转换电路完全相同。
3.高精度相位差测量电路，包括：输入1端子，输入2端子，第一耦合与直流偏置电路，第二耦合与直流偏置电路，第一PECL比较器，第二PECL比较器，PECL集成鉴相鉴频器，第一电平转换电路，第二电平转换电路，数字信号处理器DSP，显示器；其特征在于：两路待测输入信号中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与直流偏置电路后，输入到第一PECL比较器的一个输入端，第一PECL比较器的另一个输入端接固定电平，第一PECL比较器的输出连接到PECL集成鉴相鉴频器的输入端R；待测输入信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与直流偏置电路后，输入到第二PECL比较器的一个输入端，第二PECL比较器的另一个输入端接固定电平，第二PECL比较器的输出连接到PECL集成鉴相鉴频器的输入端V；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端U连接到第一电平转换电路的输入端，所述第一电平转换电路的输出Vo1接到DSP的一个GPIO引脚；所述PECL集成鉴相鉴频器的输出端连接到第二电平转换电路的输入端，所述第二电平转换电路的输出Vo2接到DSP的另外一个GPIO引脚；所述DSP根据Vo1和Vo2送来的信号性质是正向脉冲还是固定电平，定性判断出两路待测信号的相位关系，并对Vo1或Vo2送来的正向脉冲信号进行定量测算，得到两路待测输入信号的含符号相位差初测值Δθ1；然后对两路已知频率为1kHz、相位差是π的标准正弦波信号或方波信号进行测量，得到每弧度相位差的测量误差值，由所述DSP根据每弧度相位差的测量误差值进行误差修正，得到两路待测信号的准确相位差值Δθ，并将测算的相位差结果输出到显示器显示。
4.根据权利要求3所述的高精度相位差测量电路，其特征在于：所述第一耦合与直流偏置电路和第二耦合与直流偏置电路完全相同；所述第一PECL比较器接固定电平的输入端与第二PECL比较器接固定电平的输入端极性应相同，都是各自比较器的同相输入端，或都是各自比较器的反相输入端；所述第一电平转换电路和第二电平转换电路完全相同。
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