CN117214459A - 基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法及装置，其方法包括：获取所述差分谐振式加速度计输出的两路调频信号，对两路所述调频信号进行模数转换生成两路数字信号；生成一组正交的参考信号，将一组所述参考信号和两路所述数字信号分别进行一次混频生成四路一次混频信号；将四路所述一次混频信号进行二次混频生成两路二次混频信号；对两路所述二次混频信号进行相位差增量计算得到两个相位差增量对应的正余弦值；对两个所述相位差增量对应的正余弦值进行幅值‑相位转换生成相位差增量；对所述相位差增量进行频差计算生成频率差值；本发明能够实现全数字化的较高精度的频差直接测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法及装置，属于惯性微机电系统技术领域。
背景技术
谐振式加速度计包括石英谐振加速度计和微机电系统MEMS硅谐振加速度计，它们都以谐振梁为传感元件，把外界加速度转换为谐振梁本身的谐振频率的变化，我们通过测量谐振梁的频率来反算外界加速度的大小。通常谐振式加速度计由两组独立谐振梁组成差分结构，目的是抑制加速度到谐振梁频率这一非线性转换关系的影响。在差分结构下，两组谐振梁的频率差与外界输入加速度成正比。频率或者频率差测量技术是谐振加速度计系统的一项关键技术。
谐振加速度计中常用的频率测量方法有基于计数器和基于锁相环两种。前者有直接测频法、等精度测频法等多种形式，电路结构比较简单，但该方法存在测量精度与测量带宽的矛盾，为了提高频率测量精度需要比较长时间的测量，此时使得带宽很小；后者是模数混合电路，频率信息存在于脉冲宽度中，电路实现多使用专用集成电路，分立器件的实现比较少见，该种频率测量方法的精度高，但结构比较复杂，整体的精度不仅与电路构架有关，还依赖实现电路的工艺水平。同时，这两种方法测量的是被测信号频率与参考信号频率的比值或差值，不能直接给出差分式谐振加速度计的两路信号的频率差，在高精度频率测量的要求下也对参考信号频率的稳定性提出了很高的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法及装置，解决如何对谐振加速度计系统的频率差进行直接测量的技术问题。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法，包括：
获取所述差分谐振式加速度计输出的两路调频信号，对两路所述调频信号进行模数转换生成两路数字信号；
生成一组正交的参考信号，将一组所述参考信号和两路所述数字信号进行一次混频生成四路一次混频信号；
将四路所述一次混频信号进行二次混频生成两路二次混频信号；
对两路所述二次混频信号进行相位差增量计算得到两个相位差增量对应的正余弦值；
对两个所述相位差增量对应的正余弦值进行幅值-相位转换生成相位差增量；
对所述相位差增量进行频差计算生成频率差值。
可选的，所述将一组所述参考信号和两路所述数字信号进行一次混频生成四路一次混频信号包括：
将一组所述参考信号和两路所述数字信号相乘可得乘积：
式中，a[k]、b[k]为两路数字信号，α[k]、β[k]为数字信号a[k]、b[k]的相位，为一组参考信号，/>为参考信号相位，k为当前采样周期数，W为中间参数：
W＝AB/2
a[k]＝A cosα[k]
b[k]＝B cosβ[k]
将乘积低通滤波消除其和频成分得到四路一次混频信号：
式中，Ia[k]、Qa[k]为数字信号a[k]的一次混频信号，Ib[k]、Qb[k]为数字信号b[k]的一次混频信号。
可选的，所述将四路所述一次混频信号进行二次混频生成两路二次混频信号包括：
将四路一次混频信号进行乘法和加减法运算得到两路二次混频信号：
Ic[k]＝Ia[k]Ib[k]+Qa[k]Qb[k]＝W2 cosαβ[k]
Qc[k]＝Qa[k]Ib[k]-Ia[k]Qb[k]＝W2 sinαβ[k]
式中，Ic[k]、Qc[k]为数字信号a[k]、b[k]的二次混频信号。
可选的，所述对两路所述二次混频信号进行相位差增量计算得到两个相位差增量对应的正余弦值包括：
设置时间间隔MTsps,Tsps＝1/fsps，M为预设的采样周期数，fsps为采样频率；
根据所述时间间隔确定两个相位差增量对应的正余弦值：
Id[k]＝Ic[k]Ic[k-M]+Qc[k]Qc[k-M]＝W2 cosΔαβ[k]
Qd[k]＝Qc[k]Ic[k-M]-Ic[k]Qc[k-M]W2 sinΔαβ[k]
式中，Id[k]、Qd[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的相位差增量对应的正余弦值。
可选的，所述相位差增量为：
Δαβ[k]＝αβ[k]-αβ[k-M]＝(α[k]-α[k-M])-(β[k]-β[k-M])
式中，Δαβ[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的相位差增量。
可选的，所述频率差值为：
Δf[k]＝fαM[k]-fβM[k]
式中，fαM[k]、fβM[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的平均频率，Δf[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的平均频率的频率差值。
第二方面，本发明提供了一种基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量装置，所述测量装置包括：
模数转换模块，用于获取所述差分谐振式加速度计输出的两路调频信号，对两路所述调频信号进行模数转换生成两路数字信号；
参考波形模块，用于生成一组正交的参考信号；
第一混频模块，用于将一组所述参考信号和两路所述数字信号进行一次混频生成四路一次混频信号；
第二混频模块，用于将四路所述一次混频信号进行二次混频生成两路二次混频信号；
相位差增量计算模块，用于对两路所述二次混频信号进行相位差增量计算得到两个相位差增量对应的正余弦值；
幅值相位转换模块，用于对两个所述相位差增量对应的正余弦值进行幅值-相位转换生成相位差增量；
频差计算模块，用于对所述相位差增量进行频差计算生成频率差值。
第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行上述方法的步骤。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供的一种基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法及装置，使用模数转换模块和处理器等分立器件构建谐振加速度计频差测量系统，在简化硬件设计、降低对参考时钟性能要求的条件下，实现全数字化的较高精度的频差直接测量，解决现有测频方案精度与测频带宽不能兼顾，或者模数混合测频方案中系统结构复杂不适合分立器件实现的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的调频信号转换至数字信号的流程图；
图3是本发明实施例提供的生成一组正交的参考信号的流程图；
图4是本发明实施例提供的一次混频过程的流程图；
图5是本发明实施例提供的二次混频过程的流程图；
图6是本发明实施例提供的相位差增量计算的流程图；
图7是本发明实施例提供的幅值-相位转换的流程图；
图8是本发明实施例提供的频差计算的流程图；
图9是本发明实施例提供的基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供了一种基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法，包括以下步骤：
步骤S1、获取所述差分谐振式加速度计输出的两路调频信号，对两路所述调频信号进行模数转换生成两路数字信号；
如图2所示，两路调频信号记为x(t)＝[a(t)、b(t)]，t为采样时刻，可以是正弦波也可以是方波，经过带通滤波器之后统一变成正弦波，再经采样频率为fsps的模数转换后转换为数字信号x[k]＝[a[k]、b[k]]，k为当前采样周期数。
步骤S2、生成一组正交的参考信号，将一组所述参考信号和两路所述数字信号进行一次混频生成四路一次混频信号；
如图3所示，一组正交的参考信号可通过数控振荡器NCO产生一组正交的正弦波形和余弦波形/>FCW是与频率有关的常数；正弦波形和余弦波形的频率相同，幅值相等，相位始终相差90°，频率等于差分谐振式加速度计不受外界加速度时的谐振频率。
令a[k]＝A cosα[k]、b[k]＝B cosβ[k]，则数字信号a[k]、b[k]与参考信号(正弦波形余弦波形/>)在一次混频后的结果，如图4所示：
式中，W＝AB/2，α[k]、β[k]为数字信号a[k]、b[k]的相位，为一组参考信号，/>为参考信号相位。再经过低通滤波器后，得到：
式中，Ia[k]、Qa[k]为数字信号a[k]的一次混频信号，即数字信号a[k]的相位α[k]与参考信号相位/>差值的余弦值和正弦值；Ib[k]、Qb[k]为数字信号b[k]的一次混频信号，即数字信号b[k]的相位β[k]与参考信号相位/>差值的余弦值和正弦值。
步骤S3、将四路所述一次混频信号进行二次混频生成两路二次混频信号；
如图5所示，将四路一次混频信号进行乘法和加减法运算得到两路二次混频信号：
Ic[k]＝Ia[k]Ib[k]+Qa[k]Qb[k]＝W2 cosαβ[k]
Qc[k]＝Qa[k]Ib[k]-Ia[k]Qb[k]＝W2 sinαβ[k]
式中，Ic[k]、Qc[k]为数字信号a[k]、b[k]的二次混频信号，即数字信号a[k]、b[k]的相位α[k]、β[k]的差值的余弦值和正弦值，此时不再与参考信号相位/>有关，这说明通过二次混频后，与参考信号有关的相位噪声可以被消除或抑制。
步骤S4、对两路所述二次混频信号进行相位差增量计算得到两个相位差增量对应的正余弦值；
设置时间间隔MTsps,Tsps＝1/fsps，M为预设的采样周期数，fsps为采样频率；
如图6所示，根据所述时间间隔确定两个相位差增量对应的正余弦值：
Id[k]＝Ic[k]Ic[k-M]+Qc[k]Qc[k-M]＝W2 cosΔαβ[k]
Qd[k]＝Qc[k]Ic[k-M]-Ic[k]Qc[k-M]W2 sinΔαβ[k]
式中，Id[k]、Qd[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的相位差增量对应的正余弦值。
步骤S5、对两个所述相位差增量对应的正余弦值进行幅值-相位转换生成相位差增量；
如图7所示，所述相位差增量为：
Δαβ[k]＝αβ[k]-αβ[k-M]＝(α[k]-α[k-M])-(β[k]-β[k-M])
式中，Δαβ[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的相位差增量。
步骤S6、对所述相位差增量进行频差计算生成频率差值；这一转换模块功能可用多种算法实现，例如查找表、CORDIC算法等；
如图8所示，所述频率差值为：
Δf[k]＝fαM[k]-fβM[k]
式中，fαM[k]、fβM[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的平均频率，Δf[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的平均频率的频率差值。
实施例二：
如图9所示，本实施例提供了一种基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量装置，所述测量装置包括：
模数转换模块，用于获取所述差分谐振式加速度计输出的两路调频信号，对两路所述调频信号进行模数转换生成两路数字信号；
参考波形模块，用于生成一组正交的参考信号；
第一混频模块，用于将一组所述参考信号和两路所述数字信号进行一次混频生成四路一次混频信号；
第二混频模块，用于将四路所述一次混频信号进行二次混频生成两路二次混频信号；
相位差增量计算模块，用于对两路所述二次混频信号进行相位差增量计算得到两个相位差增量对应的正余弦值；
幅值相位转换模块，用于对两个所述相位差增量对应的正余弦值进行幅值-相位转换生成相位差增量；
频差计算模块，用于对所述相位差增量进行频差计算生成频率差值。
实施例三：
基于实施例一，本实施例提供了一种电子设备，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行上述方法的步骤。
实施例四：
基于实施例一，本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法，其特征在于，包括：
获取所述差分谐振式加速度计输出的两路调频信号，对两路所述调频信号进行模数转换生成两路数字信号；
生成一组正交的参考信号，将一组所述参考信号和两路所述数字信号进行一次混频生成四路一次混频信号；
将四路所述一次混频信号进行二次混频生成两路二次混频信号；
对两路所述二次混频信号进行相位差增量计算得到两个相位差增量对应的正余弦值；
对两个所述相位差增量对应的正余弦值进行幅值-相位转换生成相位差增量；
对所述相位差增量进行频差计算生成频率差值。
2.根据权利要求1所述的基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法，其特征在于，所述将一组所述参考信号和两路所述数字信号进行一次混频生成四路一次混频信号包括：
将一组所述参考信号和两路所述数字信号相乘可得乘积：
式中，a[k]、b[k]为两路数字信号，α[k]、β[k]为数字信号a[k]、b[k]的相位，为一组参考信号，/>为参考信号相位，k为当前采样周期数，W为中间参数：
W＝AB/2
a[k]＝A cosα[k]
b[k]＝B cosβ[k]
将乘积低通滤波消除其和频成分得到四路一次混频信号：
式中，Ia[k]、Qa[k]为数字信号a[k]的一次混频信号，Ib[k]、Qb[k]为数字信号b[k]的一次混频信号。
3.根据权利要求2所述的基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法，其特征在于，所述将四路所述一次混频信号进行二次混频生成两路二次混频信号包括：
将四路一次混频信号进行乘法和加减法运算得到两路二次混频信号：
Ic[k]＝Ia[k]Ib[k]+Qa[k]Qb[k]＝W2 cosαβ[k]
Qc[k]＝Qa[k]Ib[k]-Ia[k]Qb[k]＝W2 sinαβ[k]
式中，Ic[k]、Qc[k]为数字信号a[k]、b[k]的二次混频信号。
4.根据权利要求3所述的基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法，其特征在于，所述对两路所述二次混频信号进行相位差增量计算得到两个相位差增量对应的正余弦值包括：
设置时间间隔MTsps,Tsps＝1/fsps，M为预设的采样周期数，fsps为采样频率；
根据所述时间间隔确定两个相位差增量对应的正余弦值：
Id[k]＝Ic[k]Ic[k-M]+Qc[k]Qc[k-M]＝W2 cosΔαβ[k]
Qd[k]＝Qc[k]Ic[k-M]-Ic[k]Qc[k-M]W2 sinΔαβ[k]
式中，Id[k]、Qd[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的相位差增量对应的正余弦值。
5.根据权利要求4所述的基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法，其特征在于，所述相位差增量为：
Δαβ[k]＝αβ[k]-αβ[k-M]＝(α[k]-α[k-M])-(β[k]-β[k-M])
式中，Δαβ[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的相位差增量。
6.根据权利要求5所述的基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量方法，其特征在于，所述频率差值为：
Δf[k]＝fαM[k]-fβM[k]
式中，fαM[k]、fβM[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的平均频率，Δf[k]为数字信号a[k]、b[k]的在时间间隔MTsps内的平均频率的频率差值。
7.一种基于正交双混频的差分式谐振加速度计频率差测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：
模数转换模块，用于获取所述差分谐振式加速度计输出的两路调频信号，对两路所述调频信号进行模数转换生成两路数字信号；
参考波形模块，用于生成一组正交的参考信号；
第一混频模块，用于将一组所述参考信号和两路所述数字信号进行一次混频生成四路一次混频信号；
第二混频模块，用于将四路所述一次混频信号进行二次混频生成两路二次混频信号；
相位差增量计算模块，用于对两路所述二次混频信号进行相位差增量计算得到两个相位差增量对应的正余弦值；
幅值相位转换模块，用于对两个所述相位差增量对应的正余弦值进行幅值-相位转换生成相位差增量；
频差计算模块，用于对所述相位差增量进行频差计算生成频率差值。
8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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