CN114280019A - 相移检测系统中收发通道初始相位和解调信号频率偏差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感测量技术领域，具体为相移检测系统中收发通道初始相位和解调信号频率偏差校正方法。本发明方法包括：（一）引入不受到传感信号影响的信号作为参考信号，采用两次分别测量的方法，对传感信号和参考信号两个信号分别进行测量，再将传感信号测量的结果与参考信号测量的结果相减，即可消除相移检测系统内置的相位，减小误差；（二）利用传感元件和参考元件对信号分别测量，再将测量值进行相减，即可以消除内置相移和频率偏差的影响；引入参考信号用于消除系统电路延时的影响，并进一步消除频率偏差的影响，保证传感信号和参考信号由频率偏差引起的相位偏差相同。本发明设计上述方法的实现系统‑‑检测相移的溶氧传感SoC系统。

Description

相移检测系统中收发通道初始相位和解调信号频率偏差校正 方法

技术领域

本发明属于传感测量技术领域，具体涉及一种基于锁相放大原理的相移检测系统中收发通道初始相位以及解调信号频率偏差的校正方法。

背景技术

在很多技术领域中，相移的检测都是必不可少的。相位差的测量在很多工程领域都具有较为重要的意义，例如在电力工业、电子通讯、信息科技以及航空航天、地质勘测和导航定位技术中，都涉及用于检测相同频率信号的相位差值的技术。

传统的相移检测方法有李萨如图形法、整形计数法和过零检测法等。李萨如图形法由于要通过示波器进行观测，得到的相位差结果精度不够高，而且无法实现自动化的测量；整形计数法的原理简单，但是在信号整形的过程中输出信号容易发生抖动，而且器件的直流偏置和门电路延时也会使测量精度减小；过零检测法需要将两个待测信号转换为方波，根据过零的信号时间点得出相位差，但是这种方法的测量准确度容易受到噪声和谐波的干扰。

为了解决对噪声敏感的问题，本发明采用锁相放大的原理对相移进行检测，它具有良好的抗噪声性能。

基于锁相放大原理的相移检测系统，由发射通道和接收通道组成，接收通道中的混频器将与发射通道的输出信号有关的解调信号作为载波。由于检测系统本身对信号链有本征的相移，而且解调信号与接收通道的输入信号之间存在一定的频率偏差，所以需要一种方法对该相位和频率偏差进行消除。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作方便、算法简单、抗噪性能优越的相移检测系统中收发通道初始相位以及解调信号频率偏差的校正方法。

本发明所述的基于锁相放大原理的相移检测系统，由发射通道和接收通道组成，接收通道中的混频器将与发射通道的输出信号有关的解调信号作为载波。发射通道产生激励信号，用来驱动传感元件，得到的激发信号与所给激励存在比例关系和相移。若激励为正弦信号，则激发信号也为正弦信号。

本发明提供的相移检测系统中收发通道初始相位的校正方法，是引入不受到传感信号影响的信号作为参考信号，采用两次分别测量的方法，对传感信号和参考信号两个信号进行测量，将传感信号测量的结果与参考信号测量的结果相减，即可消除相移检测系统内置的相位，减小误差。

测量时采用参考信号和传感信号两次测量的方法，由开关来控制两个信号交替测量，根据特性选择敏感元件，并且设计合理的负载满足要求。参考信号用于抵消系统内置的影响，传感信号经过敏感元件，会产生相位和幅度的变化。发射通道的结构如图1所示。

接收通道接收到的信号与发射通道发射出的信号之间会产生相位的变化，可以通过接收系统测量出这个相移的大小。信号经过放大器和混频器的作用，利用相干解调的原理，经过混频器与正交的二个解调信号相乘后，信号变为直流信号和二倍频信号，直流信号便是相位值的三角函数。通过低通滤波器将二倍频信号滤除，就得到与相位正弦、余弦相关的直流信号。输出的两路数据经过ADC的采集，转化为数字信号，由数字部分的模数转换采样接口模块进行读取，数据处理后送入CORDIC反正切计算模块计算，就得出了需要测量的相移值。

本发明中，利用数字递归振荡器产生正弦信号，利用计数器产生正交的解调信号，由于数字递归振荡器产生的信号与计数器产生的信号之间存在一定的频率偏差，为了保证输入激励信号的频率和解调信号的频率相同，本发明利用数字校准的方法来消除解调信号的频率偏差。

设正弦发生器由数字递归振荡器、有限长单位冲激响应滤波器和数模转换器组成，递归振荡器产生的解调信号的频率存在一定的频率误差。递归振荡器输出的信号表达式为：

S₁＝A₁ sin(2πft)，

经过传感器之后，传感得到的输出信号表达式为：

其中，α为传感系数，

是由敏感元件引起的相移，A₁为振幅，f为频率；假设由系统内置所引起的相移为θ，载波信号和S₂之间的频率误差为Δf，经过混频器之后的输出信号为：

经过滤波器之后得到的输出为：

同理，另一个通道的输出为：

其中，A_TIA为跨阻放大器的增益。

可见，只使用一个通道时，整体电路会存在延时以及正交载波的频率偏差的影响。因此，本发明利用传感元件和参考元件对信号分别测量，再将测量值进行相减，就可以消除内置相移和频率偏差的影响。引入参考信号可以消除系统电路延时的影响，为了进一步消除频率偏差的影响，要保证传感信号和参考信号由频率偏差引起的相位偏差是相同的，才能够抵消频率偏差。

具体地，本发明通过发射通道数字控制模块，控制数字递归振荡器的复位信号作为传感信号和参考信号的交替导通切换信号，将两个信号测量的时间进行约束，保证每次复位后两个信号都切换一次，两个信号的时间可以保持同步，即保证频率相同，实现收发通道频率偏差的自动校正。

具体地，传感信号和参考信号在经过传感器之后的输出信号的表达式为：

两式相减，得出的相位值可以表示为：

每次在信号导通的同时，振荡器开始起振，便可以得到：

t₁＝t₂，

因此频率偏差便可以消除，频率偏差数字校准的时序图如图2所示。

采用数字校正的方法消除解调信号频率偏差，巧妙地将复位信号与控制两个通道的切换信号合并，既能消除频率误差，又节约了硬件资源。

附图说明

图1为发射模块的框图。

图2为频率偏差数字校准的时序图。

图3为溶解氧传感SoC系统的框图。

图4为发射通道数字控制模块框图。

具体实施方式

本发明设计了相移检测系统中收发通道初始相位以及解调信号频率偏差的校正方法的实现系统---利用荧光猝灭原理的检测相移的溶液氧浓度SoC系统，如图3所示。该系统数字部分以CK802 CPU为核心，采用32位AHB和APB总线，集成了众多数字IP模块，其中包括USI、QSPI等通信接口模块、SRAM、ROM等存储器模块，模数转换采样接口、CORDIC等数字控制模块，并集成了相移检测的应用程序。

根据图3所示，该系统分为发射通道和接收通道两个部分，发射通道中利用正弦电流发生器驱动红蓝两个LED交替发光，经过溶解氧溶液中的荧光膜与滤光片，接收通道中的光电二极管将光信号转化为电信号，经过跨阻放大器和混频器后，得到关于相位的正余弦信号和二倍频信号，低通滤波器将高频信号和噪声信号滤除，将得到的关于相位的正余弦值经过模数转换器转换为数字信号，由数字控制单元对信号进行最终处理与计算。

本发明中，利用锁相放大的原理进行相位的检测，在发射通道中，利用正弦电流激励LED，经过荧光膜和光电转换之后，得到的正弦电流与激发的正弦电流之间出现了相位的偏移，在接收通道中采用模数混合的方法来测量出相移的大小。接收通道经过放大器和混频器的作用，再经过滤波器，利用模数转换器转换为数字信号。在APB总线上集成了两个模数转换接口模块，用于同时采集两路ADC的采样数据。该模块与该系统使用的Sigma-DeltaADC相配合对数据进行采样，它能够对ADC采集到的数据进行收集，并且对数据进行一定的转换，在转换结束时给微控制单元发出中断信号，MCU便可以读取出ADC采样的数据，在应用程序中对ADC采集到的数据进行处理，并且将两路ADC_SOCKET的数据在同一时刻输入到CORDIC计算模块中，就可以计算出相应正余弦值所对应的角度，便得到了相移值的大小。

本发明中，实现收发通道初始相位和频率偏差校正方法的模块是发射通道数字控制模块，如图4所示。

为了消除系统光路和电路的内置相移的影响，引入不受到荧光猝灭影响的信号作为参考，根据波长不同选择了红光LED和蓝光LED进行两次测量，红光LED用来测量系统内置的相位，蓝光LED用来检测光路传感的相位，利用光学传感原理可知，在激发光为蓝光的情况下，输出的荧光信号与激发光信号之间的相位差与猝灭剂的浓度有关，在激发光为红光的情况下，输出的荧光信号与激发光信号之间的相位差与猝灭剂的浓度无关。该模块产生红光LED和蓝光LED的控制信号，用来控制两个LED交替导通，红光LED作为参考抵消内置相移，蓝光LED测量出的相移减去红光LED测量出的相移值为全部由荧光膜传感系统产生的相移值，提高了测量得出溶氧量的精度。

该系统的主时钟的频率为fc,则递归振荡器产生的信号频率为fc/100,输出正弦波的频率范围应为4k-150kHz，而系统本身存在大概0.5％的频率误差，即频率误差范围大概为20Hz-750Hz。为了消除频率偏差的影响，通过一个复位信号对振荡器重新赋值，使得振荡器每次都重新起振。由于红光LED和蓝光LED是交替导通的，利用该复位信号作为红蓝LED交替导通的开关的控制信号，将时间对齐，就保证了参考红光LED和蓝光LED由频率误差引起的相移偏差是相同的，即消除了频率偏差的影响。

Claims (3)

1.一种相移检测系统中收发通道初始相位和解调信号频率偏差校正方法，其特征在于：

（一）关于收发通道初始相位校正

引入不受到传感信号影响的信号作为参考信号，采用两次分别测量的方法，对传感信号和参考信号两个信号分别进行测量，再将传感信号测量的结果与参考信号测量的结果相减，即可消除相移检测系统内置的相位，减小误差；

（二）关于解调信号频率偏差校正

利用传感元件和参考元件对信号分别测量，再将测量值进行相减，即可以消除内置相移和频率偏差的影响；引入参考信号用于消除系统电路延时的影响，并进一步消除频率偏差的影响，保证传感信号和参考信号由频率偏差引起的相位偏差相同。

2.根据权利要求1所述的相移检测系统中收发通道初始相位和解调信号频率偏差校正方法，其特征在于：

（一）在收发通道初始相位校正中，所述采用两次测量，是由开关来控制两个信号交替测量，根据特性选择敏感元件，并且设计合理的负载满足要求；

（二）在解调信号频率偏差校正中，所述利用传感元件和参考元件对信号分别测量，是通过发射通道数字控制模块，控制数字递归振荡器的复位信号作为传感信号和参考信号的交替导通切换信号，将两个信号测量的时间进行约束，保证每次复位后两个信号都切换一次，两个信号的时间保持同步，即保证频率相同，实现收发通道频率偏差的自动校正。

3.一种相移检测系统中收发通道初始相位和解调信号频率偏差校正方法的实现系统，其特征在于，为利用荧光猝灭原理的检测相移的溶液氧浓度SoC系统，该系统数字部分以CK802 CPU为核心，采用32位AHB和APB总线，集成众多数字IP模块，包括USI、QSPI等通信接口模块，SRAM、ROM等存储器模块，模数转换采样接口，CORDIC等数字控制模块，并集成了相移检测的应用程序；

（一）为了消除系统光路和电路的内置相移的影响，引入不受到荧光猝灭影响的信号作为参考信号，根据波长不同选择红光LED和蓝光LED进行两次测量，红光LED用来测量系统内置的相位，蓝光LED用来检测光路传感的相位；在激发光为蓝光的情况下，输出的荧光信号与激发光信号之间的相位差与猝灭剂的浓度有关，在激发光为红光的情况下，输出的荧光信号与激发光信号之间的相位差与猝灭剂的浓度无关；控制模块产生红光LED和蓝光LED的控制信号，用来控制两个LED交替导通，红光LED作为参考抵消内置相移，蓝光LED测量出的相移值减去红光LED测量出的相移值为全部由荧光膜传感系统产生的相移值，提高了测量得出溶氧量的精度；

（二）为了消除频率偏差的影响，通过一个复位信号对振荡器重新赋值，使得振荡器每次都重新起振；由于红光LED和蓝光LED是交替导通的，利用该复位信号作为红蓝LED交替导通的开关的控制信号，将时间对齐，保证参考红光LED和蓝光LED由频率误差引起的相移偏差是相同的，即消除了频率偏差的影响。

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