CN115412089B - 解调开关信号的相位自动对齐方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种解调开关信号的相位自动对齐方法，具体应用在电容传感电路中，包括如下步骤：S1、进行系统装配，将AD1和AD2接入电路；S2、设置初始的前进步伐△v₀和相位移动步长△x₀并移动相位；S3、对AD1采集的数据进行累加求和；S4、计算前进步伐△v_t和移动步长△x_t，并进行相位对齐；S5、依据累加和的增长率判断相位对齐情况；S6、通过AD2实时监测依据波形的相位偏差，判断相位对齐情况，并判断是否再次进行相位对齐。本发明通过动量梯度下降法将解调开关信号与被解调信号进行相位对齐，相位对齐精度高、去除噪声效果好、信噪比提升大、电容传感的精度高；实时检测保证了系统的稳定性和自动化；本发明可广泛应用于航天领域中电容传感解调电路的相位自动对齐。

Description

解调开关信号的相位自动对齐方法

技术领域

本发明涉及电容传感技术领域，具体提供一种解调开关信号的相位自动对齐方法。

背景技术

电容传感在航天领域中得到越来越多的应用，比如惯性传感器和加速度计等。为了将信号从噪声中分离出来，解调电路使用适当的解调开关信号锁定信号频率，将噪声频率平均为零。将解调开关信号的相位与被解调信号的相位对齐，对减少噪声和提高信噪比起着重要作用。解调开关信号自动相位对齐方法成为航天领域中解调电路能否实现解调开关信号与被解调信号相位对齐的关键技术。目前在电容传感中通常采用解调电路来进行信号的解调，提取信号中有用信息。为了减少噪声，在解调电路中使用适当的解调开关信号锁定被解调信号频率，将噪声频率平均为零。如果解调开关信号的相位与被解调信号的相位对齐，能在最大程度上去除噪声，提高信噪比。如果解调开关信号的相位与被解调信号的相位没有对齐，则被解调信号中的噪声未被有效去除，导致信噪比低，影响电容传感的性能。

目前在电容传感中解调开关信号一般都是通过手动调节，相位对齐后不会再对相位进行调整。由于手动调节相位存在精度低、效率低、不能自适应环境的变化等缺点，同时解调电路输出的信噪比低，极大的影响电容传感的性能。手动调节相位不适用于航天领域中高精度、低延时和高效率的要求。

发明内容

本发明为解决上述问题，基于解调电路的工作特点，结合目前航天领域中电容传感的共性问题，提出了一种解调开关信号的相位自动对齐方法，本发明通过动量梯度下降法对相位移动步长进行调节，快速将解调开关信号与被解调信号的相位对齐，并锁定相位点。实时检测解调模块中的全波整流电路波形，当相位小于偏差标定值时，解调开关信号与被解调信号的相位对齐，并在相位对齐后，当相位变化超过偏差阈值上限时，再次进行相位对齐。本发明具有一定通用性，可广泛应用于航天领域中电容传感解调电路的相位自动对齐。

本发明提供的解调开关信号的相位自动对齐方法，具体应用在电容传感电路中，电容传感电路主要包括解调模块和FPGA模块，该方法包括如下步骤：

S1、将第一模数转换传感器接入解调模块的输出处，采集解调电路模块的输出；

将第二模数转换传感器接入解调模块中全波整流电路的输出处，采集全波整流电路的输出；

FPGA模块逻辑输出激励信号，并输出两路反相的解调开关信号；

S2、设置解调开关信号的初始的前进步伐△v₀和初始的相位移动步长△x₀，并进行相位移动；

S3、对第一模数转换传感器采集的数据进行累加求和，获得并储存累加和L_t；

S4、计算前进步伐△v_t和移动步长△x_t，并进行相位对齐；

步骤S41、计算t时刻的前进步伐△v_t，其中t为任意值，公式如下：

其中，β表示衰减系数，△v_t-1表示t时刻前进步伐△v_t的上一个前进步伐；

步骤S42、计算t时刻的移动步长△x₀，公式如下：

△x_t＝η△v_t； (2)

其中，η是学习因子；

S5、计算采集数据的累加和L_t的增长率α，计算公式如下：

其中，L_t-1表示t-1时刻的累加和；

当增长率α小于增长阈值τ时，解调开关信号与被解调信号的相位对齐，执行S6，否则执行S3；

S6、实时检测第二模数转换传感器采集的全波整流电路输出波形与FPGA内部存储的波形的相位偏差；

当相位偏差小于或等于偏差阈值标定值，解调开关信号与被解调信号的相位对齐；

当相位偏差大于偏差阈值上限，解调开关信号与被解调信号的相位未对齐，则执行S3。

优选的，第一模数转换传感器和第二模数转换传感器接入电路后，即S1完成后，将第一模数转换传感器和第二模数转换传感器进行初始化配置和校准。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

1、本发明采取动量梯度下降法对相位移动步长进行调节，能够快速的对齐相位，并避免陷入局部最优解，提前判定相位对齐。

2、本发明实时检测模数转换传感器采集的全波整流电路输出波形，当相位差小于偏差阈值标定值时，采集得到的全波整流电路输出波形与动量梯度下降法相互验证解调开关信号的相位对齐情况，提高了相位对齐的可靠性。

3、本发明在相位对齐后，实时监测模数转换传感器采集的全波整流电路输出波形，当相位大于偏差阈值上限时，再次进行相位对齐，提高系统的抗干扰能力和自动化程度。

4、本发明具有相位对齐精度高、去除噪声效果好、信噪比提升大、电容传感的精度高等优势。

5、相对于手动调节解调开关信号的相位，本发明具有高精度，低时延，实时性高等特点。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的惯性传感器系统的结构框图；

图2是根据本发明实施例提供的解调模块的电路图；

图3是根据本发明实施例提供的解调开关信号的相位自动对齐方法的流程图；

图4是根据本发明实施例提供的当相位未对齐时解调电路内部信号情况；

图5是根据本发明实施例提供的当相位对齐时解调电路内部信号情况；

图6是根据本发明实施例提供的相位变化与解调电路输出的关系图；

图7是根据本发明实施例提供的相位对齐后示波器的效果图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

在本实施例中，本发明应用于惯性传感器，以其中的电容传感与静电伺服控制逻辑单元为例详细介绍本发明的具体实施方法，其中，电容传感与静电伺服控制逻辑单元即FPGA模块，FPGA模块是一种数字集成电路芯片，是数字电路的物理实现方式之一。实现本发明的系统的组成、工作原理及工作流程如下：

图1示出了根据本发明实施例提供的惯性传感器系统的结构框图。

如图1所示，惯性传感器系统主要包括：敏感结构、模拟前端电路、解调模块、电容传感与静电伺服控制逻辑单元和上位机。

电容传感与静电伺服控制逻辑单元包括：激励管理模块、算法模块、第一模数转换传感器(下述简称为AD1)、第二模数转换传感器(下述简称为AD2)和通讯与命令解析模块。

电容传感与静电伺服控制逻辑单元生成的正弦激励信号传递至敏感结构后，由模拟前端电路采集敏感结构的容差信息并将信号传递至解调模块，解调电路模块将接收到的信号进行解调并以直流信息的形式进行输出，AD1采集解调模块输出的直流的信息数据并储存至通讯与命令解析模块，AD2采集解调模块中全波整流电路的输出数据并储存至通讯与命令解析模块，本发明的方法对电容传感与静电伺服控制逻辑单元输出的两路反相的解调开关信号进行相位调整，通讯与命令解析模块与上位机进行通信，上位机接收存储数据并发送指令。

图2示出了根据本发明实施例提供的解调模块的电路图。

如图2所示，输入解调模块的两路反相的解调开关信号1经过模拟开关S1-302RH处理，被分为上边沿信号2和下边沿信号3。

图4示出了根据本发明实施例提供的当相位未对齐时解调电路内部信号情况。

如图4所示，两路反相的解调开关信号1与被解调信号的相位未对齐，则无法恢复成完整的信号。解调电路内部信号为残缺不完整的，将极大降低系统的性能。

图5示出了根据本发明实施例提供的当相位对齐时解调电路内部信号情况。

如图5所示，两路反相的解调开关信号1与被解调信号的相位对齐，则信号能够恢复完整。相比于相位未对齐的情况，相位对齐后将极大提高系统的性能。

图3示出了根据本发明实施例提供的解调开关信号的相位自动对齐方法的流程。

如图3所示，本发明提供的解调开关信号的相位自动对齐方法，包括如下步骤：

S1、将第一模数转换传感器AD1接入解调模块的输出处，采集解调电路模块的输出；

将第二模数转换传感器AD2接入解调模块中全波整流电路的输出处，采集解调模块中的全波整流电路的输出；

电容传感与静电伺服控制逻辑单元逻辑输出激励信号，并输出两路反相的解调开关信号对被调节信号进行调节。

S2、对AD1和AD2进行初始化配置和校准，并设置解调开关信号的初始的前进步伐△v₀＝0.1和初始的相位移动步长△x₀＝0.225°，并进行相位移动。

S3、对AD1采集的数据进行累加求和，获得累加和L_t并将其储存在通讯与命令解析模块中。

S4、计算t时刻的前进步伐△v_t和移动步长△x_t，并进行相位对齐；

步骤S41、计算t时刻的前进步伐△v_t，其中t为任意值，公式如下：

其中，β表示衰减系数，本实施例中设置为0.9，△v_t-1表示t时刻前进步伐△v_t的上一个前进步伐；

步骤S42、计算t时刻的移动步长△x₀，公式如下：

△x_t＝η△v_t； (2)

其中，η是学习因子，本实施例中设置为0.1。

依据计算得到的t时刻的前进步伐△v_t和移动步长△x_t对解调开关信号进行相位移动。

S5、计算t时刻的累加和L_t的增长率α，计算公式如下：

其中，L_t-1表示t-1时刻的累加和；

本实施例中增长阈值τ＝0.1，当增长率α<τ时，表示解调开关信号与被解调信号的相位对齐，执行S6，否则执行S3；

S6、实时AD2采集的全波整流电路输出波形与电容传感与静电伺服控制逻辑单元内部存储的波形的相位偏差，在本实施例中偏差阈值标定值取0.72°，偏差阈值上限取1.42°；

当全波整流电路输出波形与电容传感与静电伺服控制逻辑单元内部存储的波形的相位偏差小于或等于0.72°时，解调开关信号与被解调信号的相位对齐；

当解调开关信号与被解调信号的相位偏差大于1.42°时，解调开关信号与被解调信号的相位未对齐，则执行S3。

本发明采用动量梯度下降法对相位步长进行调整，能够快速将相位对齐，避免了环境干扰，陷入局部最优解。同时采用增长率和波形判别两种方式判定解调开关信号对齐情况，充分保障了对解调开关信号的对齐情况的精准判断。对AD2的实时监测实现了当相位变化后的再次调整，有效提高了系统的可靠性。

图6示出了根据本发明实施例提供的相位变化与解调电路输出的关系。

如图6所示，当解调开关信号与被解调信号的相位对齐时，在解调模块的输出处于最大值或最小值时，系统的信噪比达到最大值。

为验证本发明方法的有效性，采用示波器对解调开关信号与被解调信号进行波形测量，验证结果如下：

图7示出了根据本发明实施例提供的相位对齐后示波器的截图。

如图7所示，解调开关信号的相位与被解调信号的相位对齐精度高、延时低、效率高，有效满足了本实施例的惯性传感器系统的要求。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种解调开关信号的相位自动对齐方法，应用在电容传感电路中，电容传感电路主要包括解调模块和FPGA模块，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、将第一模数转换传感器接入解调模块的输出处，采集解调电路模块的输出；

将第二模数转换传感器接入解调模块中全波整流电路的输出处，采集所述全波整流电路的输出；

FPGA模块逻辑输出激励信号，并输出两路反相的解调开关信号；

S2、设置解调开关信号的初始的前进步伐△v₀和初始的相位移动步长△x₀，并进行相位移动；

S3、对所述第一模数转换传感器采集的数据进行累加求和，获得并储存累加和L_t；

S4、计算前进步伐△v_t和移动步长△x_t，并进行相位对齐；

步骤S41、计算t时刻的前进步伐△v_t，其中t为任意值，公式如下：

其中，β表示衰减系数，△v_t-1表示t时刻前进步伐△v_t的上一个前进步伐；

步骤S42、计算t时刻的移动步长△x₀，公式如下：

△x_t＝η△v_t；

其中，η是学习因子；

S5、计算采集数据的累加和L_t的增长率α，计算公式如下：

其中，L_t-1表示t-1时刻的累加和；

当增长率α小于增长阈值τ时，解调开关信号与被解调信号的相位对齐，执行S6，否则执行S3；

S6、实时检测所述第二模数转换传感器采集的所述全波整流电路输出波形与FPGA内部存储的波形的相位偏差；

当相位偏差小于或等于偏差阈值标定值，解调开关信号与被解调信号的相位对齐；

当相位偏差大于偏差阈值上限，解调开关信号与被解调信号的相位未对齐，则执行S3。

2.如权利要求1所述的解调开关信号的相位自动对齐方法，其特征在于，所述第一模数转换传感器和所述第二模数转换传感器接入电路后，即S1完成后，将所述第一模数转换传感器和所述第二模数转换传感器进行初始化配置和校准。