CN110988479A - 一种同频周期信号相位差的测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同频周期信号相位差的测试系统及方法，该系统包括信号调理模块、采样模块、控制模块、D/A转换模块、差分信号模块、输入输出模块，信号调理模块的输入端用于接收输入信号，信号调理模块的输出端通过采样模块连接至控制模块，控制模块同步输出输入信号的采样值至D/A转换模块，D/A转换模块同步输出两路模拟信号至差分信号模块，差分信号模块输出两路差分信号至采样模块，控制模块读取采样模块采集的两路差分信号的采样值，并输出相位差计算结果至输入输出模块。该方法应用于上述的系统。本发明可以简单、准确地获得高精度的相位差测量结果。

Description

一种同频周期信号相位差的测试系统及方法

【技术领域】

本发明涉及信号分析与处理技术领域，具体的，涉及一种同频周期信号相位差的测试系统以及应用于该系统的测试方法。

【背景技术】

相位差是工业测控领域经常需要测试的参数，其在信号分析、电路参数调试、工业自动化控制、电力电子技术中都有广泛的应用。传统常见的相位测试方法有过零测试法，谐波分析法。

过零检测法通过检测过零点的时间差，从而得到相位差，该方法需要锁定过零点，存在精度不高、易受干扰造成测量不准的问题。

谐波分析法通过对输人信号进行A/D采样，然后对采样后的离散序列进行FFT运算，可获得所有谐波分量点的值，FFT计算的每个点可以用复数a+bi表示，这个点的相位

再将获得相位相减即可的相位差，同样谐波分析法受A/D的量化误差等影响，存在精度不高的问题。

【发明内容】

本发明的主要目的是提供一种可以简单、准确地测量相位差的同频周期信号相位差的测试系统。

本发明的另一目的是提供一种可以提高相位差测量精度的同频周期信号相位差的测试方法。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的一种同频周期信号相位差的测试系统包括信号调理模块、采样模块、控制模块、D/A转换模块、差分信号模块、输入输出模块，所述信号调理模块的输入端用于接收输入信号sig1、sig2，所述信号调理模块的输出端通过所述采样模块连接至所述控制模块，所述控制模块同步输出输入信号sig1、sig2的采样值至所述D/A转换模块，所述D/A转换模块同步输出两路模拟信号至所述差分信号模块，所述差分信号模块输出两路差分信号至所述采样模块，所述控制模块读取所述采样模块采集的两路差分信号的采样值，并输出相位差计算结果至所述输入输出模块。

进一步的方案是，所述测试系统还包括同步信号产生模块，所述同步信号产生模块的输入端用于检测输入信号sig1、sig2的频率信号，并产生采样同步信号输出以驱动采样模块对输入的信号进行同步采样。

更进一步的方案是，所述同步信号产生模块包括信号整形电路以及锁相环电路，所述信号整形电路的输入端接收输入信号sig1、sig2的频率信号，所述信号整形电路的输出端与所述锁相环电路的输入端电连接，所述锁相环电路的输出端输出所述采样同步信号。

更进一步的方案是，所述差分信号模块包括第一增益自动调节单元、第二增益自动调节单元、第三增益自动调节单元、第四增益自动调节单元，第一所述增益自动调节单元的正输入端与所述D/A转换模块的第一路输出连接，第二所述增益自动调节单元的正输入端与所述D/A转换模块的第二路输出连接，第三所述增益自动调节单元的正输入端与所述D/A转换模块的第二路输出连接，第一所述增益自动调节单元的输出端与第四所述增益自动调节单元的正输入端连接，第二所述增益自动调节单元的输出端与第四所述增益自动调节单元的负输入端连接，第四所述增益自动调节单元的输出端与所述采样模块的信号采集端连接。

更进一步的方案是，所述增益自动调节单元包括两个信号钳位保护电路、可编程增益仪器放大器，第一个所述信号钳位保护电路的输入端作为所述增益自动调节单元的正输入端，第二个所述信号钳位保护电路的输入端作为所述增益自动调节单元的负输入端，第一个所述信号钳位保护电路、第二个所述信号钳位保护电路的输出端均与所述可编程增益仪器放大器的输入端电连接，所述可编程增益仪器放大器的输出端作为所述增益自动调节单元的输出端。

更进一步的方案是，所述输入输出模块包括按键输入模块和显示模块，所述按键输入模块和显示模块分别与所述控制模块电连接。

由此可见，本发明提供的测试系统通过信号调理模块将输入信号进行放大、噪声过滤等信号处理，采样模块等间隔对信号处理后的输入信号进行采样，控制模块读取每个采样点的采样值同步输出给D/A转换模块，D/A模块同步输出两路模拟信号，差分信号模块对D/A模块输出差分信号进行差分处理，采样模块同步采样差分信号，控制模块读取差分信号采样值，对采样数据进行处理及运算，从而计算出输入信号的相位差。

此外，显示模块用于显示相位差，从而使得测试人员可以直观的获取当前测量的相位差。

所以，本发明可以获得高精度的相位差测量结果，从而提高基于相位差技术的电力设备状态监测、信号采集与分析、通信、自动控制等领域仪器设备的质量。

为了实现上述的另一目的，本发明还提供的一种同频周期信号相位差的测试方法，应用于上述的测试系统，该方法包括：S1，采样模块对两路输入信号进行等间隔离散同步采样；S2，控制模块读取所述步骤S1中产生的离散采样值，并通过D/A转换模块将控制模块输出的离散采样值同步转换成两路模拟信号；S3，差分信号模块对所述步骤S2中产生的两路模拟信号进行差分处理；S4，采样模块对所述步骤S3中产生的差分信号进行同步离散采样；S5，控制模块对所述步骤S4获取到的离散采样序列进行计算，获得输入信号的相位差。

进一步的方案是，所述步骤S2具体包括：在确定控制模块进入同步采样中断服务程序后，启动D/A转换模块的D/A通道输出更新定时器，由控制模块读取两路输入信号的A/D采样值V1、V2，控制模块通过DMA将A/D采样值V1写入D/A转换模块的D/A通道1的输出寄存器；在将A/D采样值V1写入第一D/A通道的输出寄存器后触发DMA中断，在DMA中断服务程序中，由控制模块启动DMA将A/D采样值V2写入D/A转换模块的D/A通道2的输出寄存器；当达到D/A转换模块的D/A通道输出更新定时器的定时值时，触发定时器中断，控制模块控制D/A转换模块同时更新D/A通道1、2的信号输出，即产生两路同步模拟信号。

更进一步的方案是，在执行步骤S1之前，还执行步骤S0，所述步骤S0具体包括：设置输入信号频率为频率f，设置同步信号模块的同步信号采样频率为频率fs,，其中，输入信号每周期的采样点数为Ns＝fs/f，采集间隔为t＝1/fs。

更进一步的方案是，在步骤S1中，还通过信号调理模块对两路输入信号进行信号处理，并将信号处理后的两路输入信号输出至采样模块。

由此可见，本发明提供的测试方法可以获得高精度的相位差测量结果，从而提高基于相位差技术的电力设备状态监测、信号采集与分析、通信、自动控制等领域仪器设备的质量。

【附图说明】

图1是本发明一种同频周期信号相位差的测试系统实施例的原理图。

图2是本发明一种同频周期信号相位差的测试系统实施例中同步信号产生模块的原理框图。

图3是本发明一种同频周期信号相位差的测试系统的测试方法实施例中增益自动调节单元的原理框图。

图4是本发明一种同频周期信号相位差的测试方法实施例的流程框图。

【具体实施方式】

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限用于本发明。

一种同频周期信号相位差的测试系统实施例：

参见图1，本发明的测试系统包括信号调理模块10、采样模块、控制模块40、D/A转换模块50、差分信号模块60、输入输出模块70，其中，本实施例的采样模块可以是两个采样模块，如第一采样模块20、第二采样模块30。信号调理模块10的输入端用于接收输入信号sig1、sig2，信号调理模块10的输出端通过第一采样模块20连接至控制模块40，控制模块40同步输出输入信号sig1、sig2的采样值至D/A转换模块50，D/A转换模块50同步输出两路模拟信号至差分信号模块60，差分信号模块60输出两路差分信号至第二采样模块30，控制模块40读取第二采样模块30采集的两路差分信号的采样值，并输出相位差计算结果至输入输出模块70。

当然，本实施例的采样模块的数量为两个，但本实施例的采样模块不限于两个，也可以是一个(选用支持更多采样通道的A/D转换器)或多个采样模块，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

其中，本实施例所述的第一采样模块20、第二采样模块30均以A/D芯片对输入信号进行同步采样；本实施例所述的D/A转换模块50以D/A芯片产生模拟信号；本实施例所述的控制模块40可以由MCU/单片机/DSP/FPGA来实现。

由于传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。本实施例中的信号调理模块10中的调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。

在本实施例中，测试系统还包括同步信号产生模块80，同步信号产生模块80的输入端用于检测输入信号sig1、sig2的频率信号，并产生采样同步信号输出以驱动第一采样模块20及第二采样模块30对输入的信号进行同步采样。

参见图2，同步信号产生模块80包括信号整形电路81以及锁相环电路82，信号整形电路81的输入端接收输入信号sig1、sig2的频率信号，信号整形电路81的输出端与锁相环电路82的输入端电连接，锁相环电路82的输出端输出采样同步信号。本实施例的信号整形电路81可以是应用于模拟电路、脉冲数字电路中的RC电路；锁相环电路82的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL，主要由相位比较器(PD)、压控振荡器(VCO)和低通滤波器三部分组成。

在本实施例中，差分信号模块60包括多个增益自动调节单元61，如第一增益自动调节单元、第二增益自动调节单元、第三增益自动调节单元、第四增益自动调节单元，第一增益自动调节单元的正输入端与D/A转换模块50的第一路输出连接，第二增益自动调节单元的正输入端与D/A转换模块50的第二路输出连接，第三增益自动调节单元的正输入端与D/A转换模块50的第二路输出连接，第一增益自动调节单元的输出端与第四增益自动调节单元的正输入端连接，第二增益自动调节单元的输出端与第四增益自动调节单元的负输入端连接，第四增益自动调节单元的输出端与第二采样模块30的信号采集端连接。

当然，本实施例的增益自动调节单元61的数量为四个，但本实施例的增益自动调节单元不限于四个，也可以是一个(选用支持更多采样通道的可编程增益仪器放大器)或多个，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

参见图3，增益自动调节单元61包括两个信号钳位保护电路、可编程增益仪器放大器613，第一个信号钳位保护电路611的输入端作为增益自动调节单元61的正输入端，第二个信号钳位保护电路612的输入端作为增益自动调节单元61的负输入端，第一个信号钳位保护电路611、第二个信号钳位保护电路612的输出端均与可编程增益仪器放大器613的输入端电连接，可编程增益仪器放大器613的输出端作为增益自动调节单元61的输出端。

优选的，本实施例的信号钳位保护电路就是可以把输入电压变成峰值钳制在某一预定的电平上的输出电压，而不改变信号的钳位电路，该钳位电路可以将输入讯号的位准予以上移或下移，并不改变输入讯号的波形，主要由二极管、电容器及电阻器组成。

优选的，本实施例的可编程增益仪器放大器(PGIA:)是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可以根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器(如第二采样模块30)满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。

在本实施例中，输入输出模块70包括按键输入模块9和显示模块8，按键输入模块9和显示模块8分别与控制模块40电连接。其中，按键输入模块9包括按键、触摸屏等输入设备，显示模块8包括液晶显示屏。

具体地，信号调理模块10对输入信号sig1、sig2进行自动增益调节及噪声过滤等信号处理，然后传送到第一采样模块20。与此同时，同步信号模块自动锁定输入信号频率，并产生输入信号整数倍的采样频率的同步信号输出给A/D采集模块，如第一采样模块20和第二采样模块30，驱动A/D采集模块对输入信号进行同步采样。

接着，MCU读取第一采样模块20的对输入信号sig1、sig2的采样值，将其同步输出至D/A转换模块50，D/A转换模块50同步对应产生两路模拟信号sig3、sig4并输出至差分信号模块60。差分信号模块60对两路模拟信号sig3、sig4进行差分、放大处理，并且对另一路sig4对地进行差分、放大处理，然后送至第二采样模块30。

然后，MCU读取第二采样模块30对两路差分信号的采样数据，并对采样数据进行处理及运算，从而计算出输入信号的相位差。其中，显示模块8用于显示相位差，从而使得测试人员可以直观的获取当前测量的相位差。

由此可见，本发明提供的测试系统通过信号调理模块10将输入信号进行放大、噪声过滤等信号处理，第一采样模块20等间隔对信号处理后的输入信号进行采样，控制模块40读取每个采样点的采样值同步输出给D/A转换模块50，D/A模块同步输出两路模拟信号，差分信号模块对D/A模块输出差分信号进行差分处理，第二采样模块30同步采样差分信号，控制模块40读取差分信号采样值，对采样数据进行处理及运算，从而计算出输入信号的相位差。

所以，本发明可以获得高精度的相位差测量结果，从而提高基于相位差技术的电力设备状态监测、信号采集与分析、通信、自动控制等领域仪器设备的质量。

一种同频周期信号相位差的测试方法实施例：

一种同频周期信号相位差的测试系统的测试方法，应用于上述的测试系统。如图4所示，该方法在对同频周期信号相位差进行测量时，首先，执行步骤S1，采样模块对两路输入信号进行等间隔离散同步采样。

然后，执行步骤S2，控制模块40读取所述步骤S1中产生的离散采样值，并通过D/A转换模块50将控制模块40输出的离散采样值同步转换成两路模拟信号。上述步骤S2具体包括：在确定控制模块40进入同步采样中断服务程序后，启动D/A转换模块50的D/A通道输出更新定时器，由控制模块40读取两路输入信号的A/D采样值V1、V2，控制模块40通过DMA将A/D采样值V1写入D/A转换模块50的D/A通道1的输出寄存器；在将A/D采样值V1写入第一D/A通道的输出寄存器后触发DMA中断，在DMA中断服务程序中，由控制模块40启动DMA将A/D采样值V2写入D/A转换模块50的D/A通道2的输出寄存器；当达到D/A转换模块50的D/A通道输出更新定时器的定时值时，触发定时器中断，控制模块40控制D/A转换模块50同时更新D/A通道1、2的信号输出，即产生两路同步模拟信号。其中，上述定时器用于控制D/A通道输出更新。

然后，执行步骤S3，差分信号模块60对上述步骤S2中产生的两路模拟信号进行差分处理。

然后，执行步骤S4，采样模块对上述步骤S3中产生的差分信号进行同步离散采样。

然后，执行步骤S5，控制模块40对上述步骤S4获取到的离散采样序列进行计算，获得输入信号的相位差。

在执行步骤S1之前，还执行步骤S0，所述步骤S0具体包括：设置输入信号频率为频率f，设置同步信号模块的同步信号采样频率为频率fs,，其中，输入信号每周期的采样点数为Ns＝fs/f，采集间隔为t＝1/fs。

在步骤S1中，还通过信号调理模块10对两路输入信号进行信号处理，并将信号处理后的两路输入信号输出至采样模块。

在实际应用中，将输入信号使用A/D进行同步离散采样，再将采样值进行D/A转换，同步转换生产两路模拟信号，其具体包括如下步骤:

首先，控制模块40进入同步采样中断服务程序后，启动D/A通道输出更新定时器，读取输入信号的A/D采样值V1、V2后，控制模块40通过DMA先将A/D采样值V1写入D/A通道1的输出寄存器。

然后，将A/D采样值V1写入D/A通道1的寄存器后触发DMA中断，在DMA中断服务程序中，启动DMA将A/D采样值V2写入到D/A输出通道2的输出寄存器。

然后，当达到D/A通道输出更新定时器的定时值时触发定时器中断，控制模块40控制D/A转换模块50同时更新D/A通道1、2的信号输出，即产生了两路同步模拟信号。

接着，对D/A转换模块50产生的两路模拟信号进行差分处理，并输出至将A/D采样模块进行同步采样，控制模块40读取A/D采样模块采集的差分信号的采样值。

然后，控制模块40对在上述步骤获取的一个周期采样序列进行计算，获得相位差。

由此可见，本发明提供的测试方法可以获得高精度的相位差测量结果，从而提高基于相位差技术的电力设备状态监测、信号采集与分析、通信、自动控制等领域仪器设备的质量。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同频周期信号相位差的测试系统，其特征在于，包括：

信号调理模块、采样模块、控制模块、D/A转换模块、差分信号模块、输入输出模块，所述信号调理模块的输入端用于接收输入信号sig1、sig2，所述信号调理模块的输出端通过所述采样模块连接至所述控制模块，所述控制模块同步输出输入信号sig1、sig2的采样值至所述D/A转换模块，所述D/A转换模块同步输出两路模拟信号至所述差分信号模块，所述差分信号模块输出两路差分信号至所述采样模块，所述控制模块读取所述采样模块采集的两路差分信号的采样值，并输出相位差计算结果至所述输入输出模块。

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：

所述测试系统还包括同步信号产生模块，所述同步信号产生模块的输入端用于检测输入信号sig1、sig2的频率信号，并产生采样同步信号输出以驱动所述采样模块对输入的信号进行同步采样。

3.根据权利要求2所述的测试系统，其特征在于：

所述同步信号产生模块包括信号整形电路以及锁相环电路，所述信号整形电路的输入端接收输入信号sig1、sig2的频率信号，所述信号整形电路的输出端与所述锁相环电路的输入端电连接，所述锁相环电路的输出端输出所述采样同步信号。

4.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：

所述差分信号模块包括第一增益自动调节单元、第二增益自动调节单元、第三增益自动调节单元、第四增益自动调节单元，第一所述增益自动调节单元的正输入端与所述D/A转换模块的第一路输出连接，第二所述增益自动调节单元的正输入端与所述D/A转换模块的第二路输出连接，第三所述增益自动调节单元的正输入端与所述D/A转换模块的第二路输出连接，第一所述增益自动调节单元的输出端与第四所述增益自动调节单元的正输入端连接，第二所述增益自动调节单元的输出端与第四所述增益自动调节单元的负输入端连接，第四所述增益自动调节单元的输出端与所述采样模块的信号采集端连接。

5.根据权利要求4所述的测试系统，其特征在于：

所述增益自动调节单元包括两个信号钳位保护电路、可编程增益仪器放大器，第一个所述信号钳位保护电路的输入端作为所述增益自动调节单元的正输入端，第二个所述信号钳位保护电路的输入端作为所述增益自动调节单元的负输入端，第一个所述信号钳位保护电路、第二个所述信号钳位保护电路的输出端均与所述可编程增益仪器放大器的输入端电连接，所述可编程增益仪器放大器的输出端作为所述增益自动调节单元的输出端。

6.根据权利要求1或2所述的测试系统，其特征在于：

所述输入输出模块包括按键输入模块和显示模块，所述按键输入模块和显示模块分别与所述控制模块电连接。

7.一种同频周期信号相位差的测试方法，应用于如权利要求1至6任一项所述的一种同频周期信号相位差的测试系统，其特征在于，该方法包括：

S1，采样模块对两路输入信号进行等间隔离散同步采样；

S2，控制模块读取所述步骤S1中产生的离散采样值，并通过D/A转换模块将控制模块输出的离散采样值同步转换成两路模拟信号；

S3，差分信号模块对所述步骤S2中产生的两路模拟信号进行差分处理；

S4，采样模块对所述步骤S3中产生的差分信号进行同步离散采样；

S5，控制模块对所述步骤S4获取到的离散采样序列进行计算，获得输入信号的相位差。

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：

所述步骤S2具体包括：在确定控制模块进入同步采样中断服务程序后，启动D/A转换模块的D/A通道输出更新定时器，由控制模块读取两路输入信号的A/D采样值V1、V2，控制模块通过DMA将A/D采样值V1写入D/A转换模块的D/A通道1的输出寄存器；

在将A/D采样值V1写入第一D/A通道的输出寄存器后触发DMA中断，在DMA中断服务程序中，由控制模块启动DMA将A/D采样值V2写入D/A转换模块的D/A通道2的输出寄存器；

当达到D/A转换模块的D/A通道输出更新定时器的定时值时，触发定时器中断，控制模块控制D/A转换模块同时更新D/A通道1、2的信号输出，即产生两路同步模拟信号。

9.根据权利要求7或8所述的测试方法，其特征在于：

在执行步骤S1之前，还执行步骤S0，所述步骤S0具体包括：设置输入信号频率为频率f，设置同步信号模块的同步信号采样频率为频率fs,，其中，输入信号每周期的采样点数为Ns＝fs/f，采集间隔为t＝1/fs。

10.根据权利要求7或8所述的测试方法，其特征在于：

在步骤S1中，还通过信号调理模块对两路输入信号进行信号处理，并将信号处理后的两路输入信号输出至采样模块。

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