CN109870605A - 一种调节交流电压与交流量子电压相对相位的装置及方法 - Google Patents

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刘志尧
黄洪涛
贺青
刘方兴
徐晴
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赵双双
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Abstract

本发明提供一种调节交流电压与交流量子电压相对相位的装置和方法，包括时间基准系统、交流电压源、交流量子电压生成系统和差分测量系统，时间基准系统提供时钟；交流电压源输出周期信号；交流量子电压生成系统产生阶梯波信号，作为所述周期信号的标准参考信号；差分测量系统，用于采集周期信号，计算延时并向所述交流量子电压生成系统发送生成触发信号，并计算周期信号与阶梯波信号的差分信号。本发明采用软件延时加硬件触发的方式，实现正弦信号与阶梯波信号相对相位的自动调节，提高了相位调节准确度和测量效率，还解决了部分交流电压源无法进行相位调节的问题，使基于量子技术的交流电压测量更具有普适性。

Description

一种调节交流电压与交流量子电压相对相位的装置及方法
技术领域
本发明属于计量领域，具体涉及调节交流电压与交流量子电压相对相位的装置及方法。
背景技术
随着国际单位制的改革，实现基本物理量向物理常数溯源成为今后的发展方向。目前国际上已经建立基于阶梯波信号交流量子电压的正弦信号交流电压测量装置及方法，这种方法已经实现了频率低于1kHz的交流电压测量。采用阶梯波信号进行交流电压测量时，必须保证正弦信号与阶梯波信号的台阶中心位置相交。对于阶梯波信号与正弦信号相对相位的调节都采用手动调节方式，通过调节正弦信号的相位，使正弦信号与阶梯波信号台阶中心位置相交。而在实际测量过程中并非所有的信号源都具有相位调节的功能，当正弦信号的相位无法调解时，就无法进行正弦信号的测量。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种调节交流电压与交流量子电压相对相位的装置及方法，为阶梯波信号与正弦信号相对相位的调节提供一种高效准确的途径，通过对正弦信号采样并计算，确定正弦信号与阶梯波信号初始相位，结合硬件触发和软件延时的方式实现正弦信号与阶梯波信号相对相位的自动调节，从而保证正弦信号与阶梯波信号台阶的中心位置相交，使差分测量系统测量的正弦信号与阶梯波信号的差分信号最小。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种调节交流电压与交流量子电压相对相位的装置，其特征在于，装置包括时间基准系统、交流电压源、交流量子电压生成系统和差分测量系统，其中：
时间基准系统与交流电压源、交流量子电压生成系统和差分测量系统连接，为交流电压源、交流量子电压生成系统和差分测量系统提供时钟；
交流电压源的输出正端与差分测量系统的正端连接，交流电压源的输出负端与差分测量系统的模拟地连接，交流电压源输出周期信号，例如正弦信号；
交流量子电压生成系统的输出正端与差分测量系统的负端连接，交流量子电压生成系统的输出负端与差分测量系统的模拟地连接，交流量子电压生成系统产生阶梯波信号，作为周期信号的标准参考信号；
差分测量系统，用于采集周期信号，计算延时并向交流量子电压生成系统发送生成触发信号，并计算周期信号与阶梯波信号的差分信号。
优选的，时间基准系统提供的时钟频率为10MHz。因为现在大部分的计量设备的基频都是10MHz，所以选10MHz可以把所有的设备同步到一个时钟上。
进一步的，差分测量系统经过延时后向交流量子电压生成系统发送生成触发信号。
进一步的，计算延时的步骤为：
计算周期信号的初始相位计算周期信号与台阶中心位置相交的周期信号相位其中，N为阶梯波信号的台阶个数；计算延时时间其中，f为阶梯波信号的频率。
经过延时后，采集的周期信号与阶梯波信号的台阶中心位置相交，两者差分信号的幅值最小，这样，在重构周期信号时系统误差最小。
进一步的，交流量子电压生成系统产生阶梯波信号时的时间基准信号fclk＝f·N，其中，f为阶梯波信号的频率，N为阶梯波的台阶数。
根据本发明的另一方面，提出一种调节交流电压与交流量子电压相对相位的方法，包括以下步骤：
步骤1：计算延时时间；步骤2：经过延时时间触发生成阶梯波信号；步骤3：接收周期信号与阶梯波信号，计算周期信号与阶梯波信号的差分信号，以重构周期信号。
进一步的，步骤1包括：
设置阶梯波信号的台阶数N和信号频率f；采集整数个周期的周期信号；计算周期信号的初始相位计算与阶梯波信号的台阶中心位置相交的周期信号相位计算延时时间
经过延时修正后，信号可以恰好与阶梯波信号的台阶中心位置相交。此时周期信号与阶梯波信号的差分信号的幅值最小，重构周期信号最准确，可以高精度地完成以阶梯波信号交流量子电压为标准信号的交流电压的测量。
进一步的，产生阶梯波信号的时间基准信号fclk＝f·N，其中，f为阶梯波信号的频率，N为阶梯波的台阶数。
本发明采用软件延时加硬件触发的方式，实现正弦信号与阶梯波信号相对相位的自动调节，相对于手动调相方式，提高了相位调节准确度和测量效率。在实际测量过程中，并非所有的交流电压源均具备相位调节的功能，通过本发明还解决了交流电压源无法进行相位调节的问题，使基于量子技术的交流电压测量更具有普适性。
附图说明
图1为根据本发明的调节交流电压与交流量子电压相对相位的装置结构示意图；
图2为根据本发明的自动调相逻辑时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明提供了一种调节交流电压与交流量子电压相对相位的装置及方法，用于实验室环境下，对基于量子技术的交流电压测量提供一种相位自动调节的方案。通过对周期信号采样并计算，确定周期信号与阶梯波信号初始相位，结合硬件触发和软件延时的方式重构周期信号，实现周期信号与阶梯波信号相对相位的自动调节，从而对周期信号进行精确测量。
如图1所示，本发明提供的一种调节交流电压与交流量子电压相对相位的装置，包括时间基准系统、交流电压源、交流量子电压生成系统和差分测量系统。
时间基准系统与交流电压源、交流量子电压生成系统和差分测量系统连接，时间基准系统为交流电压源、交流量子电压生成系统和差分测量系统同步工作提供时钟，如10MHz时钟。
交流电压源的输出正端(+)与差分测量系统的正端(V+)连接，交流电压源的输出负端(-)与差分测量系统的模拟地(GND)连接，交流电压源生成待测量的周期信号，周期信号可以为正弦信号，下面本发明的说明中都以正弦信号为例进行描述，但其代表周期信号。
交流量子电压生成系统的输出正端(+)与差分测量系统的正端(V-)连接，所述交流量子电压生成系统的输出负端(-)与差分测量系统的模拟地(GND)连接，交流量子电压生成系统产生阶梯波信号，作为测量周期信号(如正弦信号)的标准参考信号。
差分测量系统的正端(V+)与交流电压源的输出正端(+)连接，差分测量系统的负端(V-)与交流量子电压生成系统的输出正端(+)连接，所述差分测量系统的模拟地(GND)与交流电压源的输出负端(-)和交流量子电压生成系统的输出负端(-)连接。差分测量系统用于测量周期信号(如正弦信号)的相位，调节正弦信号与阶梯波信号的相对相位，并计算获得并输出周期(正弦)信号与阶梯波信号的差分信号。
正弦信号的0相位点为正弦信号与时间轴t相交的点，差分测量系统采集正弦信号后可以获得正弦信号的初始相位。
差分测量系统可以发出生成触发脉冲，交流量子电压生成系统接收到该触发脉冲后生成阶梯波信号。差分测量系统还可以计算延时，经过延时后发送生成触发脉冲。计算方法为：
(1)计算周期信号的初始相位
(2)计算与台阶中心位置相交的周期信号相位其中，N为阶梯波信号的台阶个数；
(3)计算延时时间其中，f为阶梯波信号的频率。
经过延时后，采集的周期信号与阶梯波信号的台阶中心位置相交，两者差分信号的幅值最小，这样，在重构周期信号时系统误差最小。
在一个实施例中，交流量子电压生成系统具有触发模式，在该模式下，等待由差分测量系统发送的生成触发脉冲信号。差分测量系统具有无触发模式和触发模式。在无触发模式下，采集整数个周期的正弦信号，计算正弦信号的初始相位，根据阶梯波信号的台阶数计算与台阶中心位置相交的正弦信号相位，根据相位差和信号频率f计算延时时间。经过延时后差分测量系统发出生成触发脉冲，随后差分测量系统切换到触发模式下；在触发模式下，差分测量系统等待交流量子电压生成系统发出的测量触发脉冲，收到测量触发脉冲后进行正弦信号与阶梯波信号的采集和差分信号的计算。
fclk为将10MHz时钟基准信号经过直接数字式频率合成器(DDS)合成得到，用于交流量子电压生成系统生成阶梯波信号时的时间基准信号，其中fclk＝f·N，f为阶梯波信号的频率，N为阶梯波的台阶数。
如图2所示，交流量子电压生成系统首先等待生成触发脉冲的到来，在交流量子电压生成系统接收到生成触发脉冲时，在fclk的控制下产生阶梯波信号----交流量子电压信号；为保证正弦信号与阶梯波信号台阶中心位置相交的相位值。
根据本发明的另一方面，提出一种调节交流电压与交流量子电压相对相位的方法，包括以下步骤：
步骤1：计算延时时间；步骤2：经过延时时间触发生成阶梯波信号；步骤3：接收周期信号与阶梯波信号，计算待测量的周期信号与阶梯波信号的差分信号，以重构正弦信号。
在步骤1中，设置阶梯波信号的台阶数N和信号频率f；采集整数个周期待测量的周期信号；计算周期信号的初始相位计算与阶梯波信号的台阶中心位置相交的周期信号相位计算延时时间
经过延时修正后，正弦信号可以恰好与阶梯波信号的台阶中心位置相交。此时计算的正弦信号与阶梯波信号的差分信号最小，可以高精度地完成以阶梯波信号交流量子电压为标准信号的交流电压的测量。
在步骤2中，生成阶梯波信号时的时间基准信号fclk＝f·N，f为阶梯波信号的频率，N为阶梯波的台阶数。在一个实施例中，10MHz时钟基准信号经过直接数字式频率合成器(DDS)合成可以得到fclk。
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不应将其理解为对本发明技术方案的限定，任何采用本发明的技术方案而仅作局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种调节交流电压与交流量子电压相对相位的装置，其特征在于，所述装置包括时间基准系统、交流电压源、交流量子电压生成系统和差分测量系统，其中：
所述时间基准系统与所述交流电压源、所述交流量子电压生成系统和所述差分测量系统连接，为所述交流电压源、交流量子电压生成系统和差分测量系统提供时钟；
所述交流电压源的输出正端与所述差分测量系统的正端连接，所述交流电压源的输出负端与所述差分测量系统的模拟地连接，所述交流电压源输出周期信号；
所述交流量子电压生成系统的输出正端与所述差分测量系统的负端连接，所述交流量子电压生成系统的输出负端与所述差分测量系统的模拟地连接，所述交流量子电压生成系统产生阶梯波信号，作为所述周期信号的标准参考信号；
所述差分测量系统，用于采集周期信号，计算延时并向所述交流量子电压生成系统发送生成触发信号，并计算周期信号与阶梯波信号的差分信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述时间基准系统提供的时钟频率为10MHz。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述周期信号为正弦信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述差分测量系统经过所述延时后向所述交流量子电压生成系统发送生成触发信号。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述所述差分测量系统中计算延时的步骤为：
计算周期信号的初始相位
计算与台阶中心位置相交的周期信号相位其中，N为阶梯波信号的台阶个数；
计算延时时间其中，f为阶梯波信号的频率。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述交流量子电压生成系统产生阶梯波信号时的时间基准信号fclk＝f·N，其中，f为阶梯波信号的频率，N为阶梯波的台阶数。
7.一种调节交流电压与交流量子电压相对相位的方法，包括以下步骤：
步骤1：计算延时时间；
步骤2：经过延时时间触发生成阶梯波信号；
步骤3：接收周期信号与阶梯波信号，计算周期信号与阶梯波信号的差分信号，以重构周期信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
设置阶梯波信号的台阶数N和信号频率f；
采集整数个周期的周期信号；
计算周期信号的初始相位
计算与阶梯波信号的台阶中心位置相交的周期信号相位
计算延时时间
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述周期信号为正弦信号。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，生成阶梯波信号的时间基准信号fclk＝f·N，其中，f为阶梯波信号的频率，N为阶梯波的台阶数。
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