CN204068930U - 一种锁相环 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种锁相环，包括依次连接的鉴相器、低通滤波器和压控振荡器，其输入信号为模拟信号，输出信号为数字信号，其特征在于，所述输出信号由若干权位表示，所述权位与一角度数据集中的角度元素对应，所述权位中至少包含与180°和90°的角度元素对应的第一权位和第二权位，所述输出信号为所述权位中的有效权位对应的角度元素之和。本方法由于输出信号转sinψ和cosψ的值是通过寻址实现的，而且乘法计算和差分计算也是通过电路实现的，避免了通过软件计算的方式进行鉴相，有效提高了鉴相速度。
Description
技术领域
本实用新型属于相位跟踪技术领域，尤其是一种锁相环。
背景技术
常用的测角度传感器有绝对式光栅编码器、霍尔传感器和旋转变压器。绝对式光栅编码器直接将转轴角度转换成数字信号，应用简单方便，但因环境适应性、价格等因素致使难以广泛应用；霍尔传感器结构简单，但难以达到高精度角度测量要求而受到限制；旋转变压器因结构可靠、实时性好、环境适应性强等优点而广泛应用于高精度伺服系统中。旋转变压器是目前最精确、最可靠的轴位摸拟传感器，广泛用于航空、航天、航海等各种控制系统，例如雷达定向导航、坐标变换、火炮控制、机床控制系统等。
由于旋转变压器输出的是一种交流调制信号，在工业控制过程中，常需要把旋转变压器信号转换成数字角度信号，再提供给计算机数字系统处理。这种转换是基于二阶伺服原理的数字转换电路，即锁环相跟踪系统其核心是鉴相器电路。传统上，旋转变压器输出的摸拟信号由采样保持电路经A/D转换成数字信号再由单片机(或DSP)电路进行反三角函数运算处理确定轴角的数字角度与输出数字角度进行比较鉴相，这种鉴相处理方法，使得整个系统的分辨率、绝对精度都非常低，尤其是跟踪速度非常低，根本无法满足高速高精度应用场合。或者将旋转变压器反馈信号直接送入模数转换器，通过软件解调算法实现转子位置信息的数字转换与输出数字角度进行比较鉴相，这种方法原理简单，但旋转变压器为保证一定测量速度下的精度，其反馈信号频率要求在20kHz以上，对模数转换器的转换速率以及软件解调速率要求更高(通常需要在1MHz)，从而导致器件成本大大增加。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种锁相环，以解决现有锁相环运算量过大，反应较慢的技术缺陷。
为此，本实用新型采用的技术方案如下：
一种锁相环，包括依次连接的鉴相器、低通滤波器和压控振荡器，其输入信号为模拟信号，输出信号为数字信号，所述输出信号由若干权位表示，所述权位与一角度数据集中的角度元素对应，所述权位中至少包含与180°和90°的角度元素对应的第一权位和第二权位，所述输出信号为所述权位中的有效权位对应的角度元素之和；
所述鉴相器包括输入信号转换器、开关选择电路、第一处理模块、第二处理模块和差分电路；
所述开关选择电路的控制端与所述输出信号的第一权位和第二权位连接；
所述输入信号转换器的输出端与所述开关选择电路的输入端连接，所述开关选择器的输出端分别与所述第一处理模块和第二处理模块连接，所述第一处理模块和第二处理模块的输出端分别与所述差分电路的输入端连接；
其中，所述第一处理模块包括第一乘法器、第一数模转换器和第一存储器，所述开关选择器的输出端与所述第一乘法器的一输入端连接；所述第一存储器的地址输入端与所述输出信号的第一权位和第二权位以外的权位连接，输出端与所述第一数模转换器的输入端连接；所述第一数模转换器的输出端与所述第一乘法器的另一输入端连接，所述第一乘法器的输出端与所述差分电路的一输入端连接；
所述第二处理模块包括第二乘法器、第二数模转换器和第二存储器，所述开关选择器的输出端与所述第二乘法器的一输入端连接；所述第二存储器的地址输入端与输出信号的第一权位和第二权位以外的权位连接，输出端与所述第二数模转换器的输入端连接；所述第二数模转换器的输出端与所述第二乘法器的另一输入端连接，所述第二乘法器的输出端与所述差分电路的另一输入端连接。
作为一种优选的技术方案，所述输入信号转换器包括旋转变压器、第一同相器和第一反相器，以及第二同相器和第二反相器，
所述旋转变压器的正弦输出端分别与所述第一同相器和第一反相器的输入端连接，所述第一同相器和第一反相器的输出端分别与所述开关选择电路的输入端连接；
所述旋转变压器的余弦输出端分别与所述第二同相器和第二反相器的输入端连接，所述第二同相器和第二反相器的输出端分别与所述开关选择电路的输入端连接。
作为一种优选的技术方案，所述角度值为0°～90°。
作为一种优选的技术方案，所述角度数据集为首位的角度元素为180°，后一角度元素为其前一角度元素的一半的数列。
作为一种优选的技术方案，所述输出信号的权位为10～16位，其权位按照由高至低分别与所述数列中的角度元素对应。
作为一种优选的技术方案，还包括输出锁存电路，所述第一权位和第二权位通过所述输出锁存电路与所述开关选择电路连接。
本实用新型涉及的技术方案根据输出信号的数值进行寻址获得的输出信号对应的正弦值和余弦值进行乘法后，通过差分电路来输出所述输入信号与输出信号的相位差。由于计算量最大的计算输出信号的值是通过寻址实现的，而且乘法计算和差分计算也是通过电路实现的，避免了通过软件计算的方式进行鉴相，有效提高了鉴相速度。
附图说明
图1是本实用新型所述一种锁相环一实施方式中输出信号的示意图；
图2是本实用新型所述一种锁相环一实施方式中鉴相器的示意图；
图3是本实用新型所述一种锁相环一实施方式的工作流程示意图；
图4是本实用新型所述一种锁相环一实施方式的工作流程示意图；
图5是本实用新型所述一种锁相环一实施方式中鉴相器的结构示意图；
图6是本实用新型所述一种锁相环一实施方式的结构示意图；
图中：
10：输入信号转换器；11：旋转变压器；12：第一同相器；13：第一反相器；14：第二同相器；15：第二反相器；20：开关选择电路；30：第一处理模块；31：第一数模转换器；32：第一乘法器；33：第一存储器；40：第二处理模块；41：第二数模转换器；42：第二乘法器；43：第二存储器；50：差分电路。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型做进一步说明。为了克服现有锁相环中的全象限输入模拟角与输出数字角的鉴相方法响应时间长的缺陷，本实用新型采用输出信号从存储器中进行寻址来实现鉴相，该鉴相方法不仅简单、可靠，而且晌应时间大大提高达到ms级。
参见图1，图1是本实用新型所述一种锁相环一实施方式中输出信号的示意图。其中，输入信号为模拟信号，输出信号为数字信号。如图1所示，所述输出信号包含若干权位，所述权位与一角度数据集中的角度元素对应，所述权位中至少包含与180°和90°的角度元素对应的第一权位和第二权位，所述输出信号为所述权位中的有效权位对应的角度元素之和。在一些优选实施方式中，所述角度数据集为首位的角度元素为180°，后一角度元素为其前一角度元素的一半的数列，所述输出信号的权位按照由高至低分别与所述数列中的角度元素对应。因此，对于具有n个权位的输出信号而言，由高至低的第i个权位对应的角度元素ai为：
如果该输出信号中n个权位均为高电平(表示为1)，则该输出信号的数值S计算为：
可见，在拥有足够多的权位状态下(近似于无穷个权位)，该表示方法的输出信号为360°，即输出信号的数值的最大值为360°。
例如，在一个优选的实施方式中，该输出信号由16位权位进行表示，所述角度数据集为首位的角度元素为180°，后一角度元素为其前一角度元素的一半的数列。各权位与角度数据集的对应关系如下：
因此，对于输出信号值为1001 1010 1101 0101的输出信号，其表示的数值为：
1*180°+0*90°+0*45°+1*22.5°+1*1.25°+0*5.625+1*2.8125°+0*1.40625°+1*0.703125°+1*0.3515625°+0*0.17578125°+1*0.087890625+0*0.0439453125°+1*0.02197265625°+0*0.02197265625°+1*0.010986328125°＝207.738°。
显然，权位越多，表示的输出信号的精度越高。然而，精度越高，对应需要处理的数据也越多，优选为10～16位，例如10、12、14、16位等。另外，根据对应于180°的第一权位和对应于90°的第二权位就可以判断该角度值对应的正弦或余弦信号的正负值，从而使用从高至低的第3位至最后一位表示的角度值不会超过90°。具体情况如下表所示：
| 第一权位和第二权位值 | 角度范围 | 所在象限 |
| 00 | 0～90° | 第一象限 |
| 01 | 90°～180° | 第二象限 |
| 10 | 180°～270° | 第三象限 |
| 11 | 270°～360° | 第四象限 |
这样，可以根据第一权位和第二权位的值判断输出信号的相位角所在的象限空间，利用其他权位的值来计算具体的相位值，从而实现将全象限的数据处理变换为第一象限内的数据处理。
参见图2，图2是本实用新型所述一种锁相环一实施方式中鉴相器的示意图。在本实用新型的实施方式中，鉴相器是指使输出与两个输入信号之间的相位差有确定关系，表示其间关系的函数称为鉴相特性。利用图2所示的鉴相器进行的鉴相方法是指使输出与输入信号和输出信号之间的相位差有确定关系的方法。在优选的实施方式中，相位差的确定关系可以通过相位差对应的正弦值进行表示。
参见图3，图3是本实用新型所述一种锁相环一实施方式的工作流程示意图。在图3示出的实施方式中，该鉴相方法包括：
步骤S301：根据输入信号生成相应的正负相的第一正弦信号和第一余弦信号，根据所述第一权位和第二权位选择第一正弦信号和第一余弦信号；
步骤S302：根据所述输出信号的权位中除所述第一权位和第二权位以外的其他权位代表的角度值在存储器中进行寻址，得到与所述角度值对应的第二正弦信号和第二余弦信号；
步骤S303：将所述第一正弦信号与所述第二余弦信号的乘积减去所述第一余弦信号与所述第二正弦信号的乘积，输出所述输入信号与所述输出信号的相位差对应的正弦信号。
例如，在一些实施方式中，输入信号是模拟的角度信号，输入模拟角θ可以经传感器旋转变压器转变成第一正弦信号(sinθ)和第一余弦信号(cosθ)利用同相器和反相器生成正负的第一正弦信号(sinθ或－sinθ)和第一余弦信号(cosθ或－cosθ)。其中，第一正弦信号和第一余弦信号为模拟信号。然后，根据输出信号的第一权位和第二权位判断输入模拟角的象限。如果处于第一象限，则选择正的第一正弦信号和正的第一余弦信号；如果处于第二象限，则选择负的第一正弦信号和正的第一余弦信号；如果处于第三象限，则选择负的第一正弦信号和负的第一余弦信号；如果处于第四象限，则选择正的第一正弦信号和负的第一余弦信号。
此后，根据输出信号的其他权位在存储器中进行寻址，例如以输出信号的其他权位计算得到的角度值为地址在存储器对该角度值对应的正弦值和余弦值进行寻址，获得输出信号对应的第二余弦信号(cosψ)和第二正弦信号(sinψ)。可见，由于已经通过第一权位值和第二权位值进行了象限判断，，在该寻址过程中仅仅需要对0～90°内的角度值进行寻址，寻址范围得到有效减少，对应的存储空间的要求也可以大大减少。
最后，第一正弦信号(sinθ或－sinθ)第二余弦信号(cosψ)送到一乘法器的输入端，生成所述第一正弦信号与所述第二余弦信号的乘积(sinθ*cosψ或－sinθ*cosψ)，以及第一余弦信号(cosθ或－cosθ)第二正弦信号(sinψ)送到一乘法器的输入端，生成所述第一余弦信号(cosθ)第二正弦信号(sinψ)的乘积(cosθ*sinψ或－cosθ*sinψ)。将两个乘积相减后，输出所述输入信号与所述输出信号的相位差sin(θ－ψ)或－sin(θ－ψ)：
sin(θ－ψ)＝sinθ*cosψ-cosθ*sinψ
参见图4，图4是本实用新型所述一种锁相环一实施方式的工作流程示意图。在图4示出的实施方式中，该锁相方法包括以下步骤：
步骤S401：根据上述任一实施方式所述的鉴相方法获取输入信号与输出信号的相位差，生成第一中间信号；
步骤S402：对所述第一中间信号进行滤波，作为控制信号进入压控振荡器；
步骤S403：所述压控振荡器根据所述控制信号生成频率与所述输入信号相同的所述输出信号。
在图4示出的锁相方法中，由于需要将输出信号反馈鉴相器，因此，上述实施方式涉及的输出信号为本实施方式中的输出信号。
参见图5，图5是本实用新型所述一种锁相环一实施方式中鉴相器的结构示意图。在图5示出的实施方式中，该鉴相器采用的鉴相方法与图3示出的实施方式对应，其输入信号为模拟信号，输出信号为数字信号。
该鉴相器包括输入信号转换器10、开关选择电路20、第一处理模块30、第二处理模块40和差分电路50。所述开关选择电路20的控制端与所述输出信号的第一权位和第二权位连接，还包括输出锁存电路，所述第一权位和第二权位通过所述输出锁存电路与所述开关选择电路20连接。
所述输入信号转换器10的输出端与所述开关选择电路20的输入端连接，所述开关选择器的输出端分别与所述第一处理模块30和第二处理模块40连接，所述第一处理模块30和第二处理模块40的输出端分别与所述差分电路50的输入端连接。
其中，所述第一处理模块30包括第一乘法器32、第一数模转换器31和第一存储器33，所述开关选择器的输出端与所述第一乘法器32的一输入端连接；所述第一存储器33的地址输入端与所述输出信号的第一权位和第二权位以外的权位连接，输出端与所述第一数模转换器31的输入端连接；所述第一数模转换器31的输出端与所述第一乘法器32的另一输入端连接，所述第一乘法器32的输出端与所述差分电路50的一输入端连接。
所述第二处理模块40包括第二乘法器42、第二数模转换器41和第二存储器43，所述开关选择器的输出端与所述第二乘法器42的一输入端连接；所述第二存储器43的地址输入端与输出信号的第一权位和第二权位以外的权位连接，输出端与所述第二数模转换器41的输入端连接；所述第二数模转换器41的输出端与所述第二乘法器42的另一输入端连接，所述第二乘法器42的输出端与所述差分电路50的另一输入端连接。
在一些优选的实施方式中，所述输入信号转换器10包括旋转变压器11、第一同相器12和第一反相器13，以及第二同相器14和第二反相器15，
所述旋转变压器11的正弦输出端分别与所述第一同相器12和第一反相器13的输入端连接，所述第一同相器12和第一反相器13的输出端分别与所述开关选择电路20的输入端连接；所述旋转变压器11的余弦输出端分别与所述第二同相器14和第二反相器15的输入端连接，所述第二同相器14和第二反相器15的输出端分别与所述开关选择电路20的输入端连接。
在该实施方式中，输入的模拟角θ经旋转变压器11转变成第一正弦信号(sinθ)和第一余弦信号(cosθ)。第一正弦信号(sinθ)经正弦输出端进入第一同相器12和第一反相器13输出正负的第一正弦信号(+sinθ和-sinθ)；第一余弦信号(cosθ)经余弦输出端通过第二同相器14和第二反相器15后输出正负的第一余弦信号(+cosθ和-cosθ)。正负的第一正弦信号(+sinθ和-sinθ)和正负的第一余弦信号(+cosθ和-cosθ)进入开关选择电路20中进行选择。其中，开关选择电路20通过输出信号的第一权位和第二权位进行控制，具体的控制方法在鉴相方法部分已经进行了详细描述，此处不再赘述。经选择后的第一正弦信号(sinθ或-sinθ)和第一余弦信号(cosθ或-cosθ)分别被送到第一乘法器32和第二乘法器42的一输入端。
另外一方面，输出信号的其他权位分别与第一存储器33和第二存储器43的地址输入端连接，利用其他权位表示的角度值作为地址在第一存储器33中对该角度值对应的正弦值进行寻址，在第二存储器43中对该角度值对应的余弦值进行寻址。第一存储器33中寻址得到的正弦值和第二存储器43中寻址得到的余弦值分别进第一模数转换器和第二模数转换器转换后，得到相应的模拟的第二正弦信号(sinψ)和模拟的第二余弦信号(cosψ)。
寻址得到的第二余弦信号(cosψ)和第一正弦信号(sinθ或－sinθ)一起送入第一乘法器32进行相乘操作得到sinθcosψ或－sinθcosψ；寻址得到的第二正弦信号(sinψ)和第一余弦信号(cosθ或－cosθ)一起送入第二乘法器42进行相乘操作得到sinψcosθ或－sinψcosθ。上述两相乘处理后的信号再送到差分电路50输出相位差信号sin(θ－ψ)或－sin(θ－ψ)。在一些优选的实施方式中，还包括信号放大电路，所述信号放大电路的输入端与所述差分电路50的输出端连接。
在上述优选的实施方式中，第一乘法器32和第一数模转换器31可以是同一芯片，第二乘法器42和第二数模转换器41也可以是同一芯片，例如乘法型数模转换器就包含了乘法器和数模转换器，是整个电路的核心，结构上完全相同。第一存储器33(第二存储器43)中存贮0°～90°范围内所有角度正弦(余弦)函数值，每个角度存贮单元由可逆计数器的输出进行寻址。在一些优选的实施方式中，可以采用14位数模转换器和14位的乘法器，响应时间达到ms级。该鉴相器系统兼容10位、12位、14位、16位输入模拟角与输出数字角相位比较，该鉴相器电路TTL、与COMS电路兼容。
参见图6，图6是本实用新型所述一种锁相环一实施方式的结构示意图。在图6示出的实施方式中，该结构的锁相环包括依次连接的鉴相器、低通滤波器和压控振荡器，其中，所述鉴相器为上述实施方式涉及的鉴相器，所述输出信号为所述压控振荡器的输出信号。其中，锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号之间的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，鉴相器是锁相环的基本部件之一。
从上述的若干实施方式可以看出，本实用新型根据输出信号的数值进行寻址获得对应的正弦值和余弦值。由于计算量最大的计算输出信号的值是通过寻址实现的，而且乘法计算和差分计算也是通过电路实现的，避免了通过软件计算的方式进行鉴相，有效提高了鉴相速度。
而且，本实用新型通过将输出信号的权位与角度数据集中的角度元素对应，利用第一权位和第二权位判断输出信号的象限，使得对全象限的寻址范围转变为仅仅需要在第一象限内进行寻址，有效降低了寻址范围，提高了寻址效率。
应该理解，本实用新型并不局限于上述实施方式，凡是对本实用新型的各种改动或变型不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意味着包含这些改动和变型。
Claims (6)
1.一种锁相环，包括依次连接的鉴相器、低通滤波器和压控振荡器，其输入信号为模拟信号，输出信号为数字信号，其特征在于，所述输出信号由若干权位表示，所述权位与一角度数据集中的角度元素对应，所述权位中至少包含与180°和90°的角度元素对应的第一权位和第二权位，所述输出信号为所述权位中的有效权位对应的角度元素之和；
所述鉴相器包括输入信号转换器、开关选择电路、第一处理模块、第二处理模块和差分电路；
所述开关选择电路的控制端与所述输出信号的第一权位和第二权位连接；
所述输入信号转换器的输出端与所述开关选择电路的输入端连接，所述开关选择器的输出端分别与所述第一处理模块和第二处理模块连接，所述第一处理模块和第二处理模块的输出端分别与所述差分电路的输入端连接；
其中，所述第一处理模块包括第一乘法器、第一数模转换器和第一存储器，所述开关选择器的输出端与所述第一乘法器的一输入端连接；所述第一存储器的地址输入端与所述输出信号的第一权位和第二权位以外的权位连接，输出端与所述第一数模转换器的输入端连接；所述第一数模转换器的输出端与所述第一乘法器的另一输入端连接，所述第一乘法器的输出端与所述差分电路的一输入端连接；
所述第二处理模块包括第二乘法器、第二数模转换器和第二存储器，所述开关选择器的输出端与所述第二乘法器的一输入端连接；所述第二存储器的地址输入端与输出信号的第一权位和第二权位以外的权位连接，输出端与所述第二数模转换器的输入端连接；所述第二数模转换器的输出端与所述第二乘法器的另一输入端连接，所述第二乘法器的输出端与所述差分电路的另一输入端连接。
2.如权利要求1所述的一种锁相环，其特征在于，所述输入信号转换器包括旋转变压器、第一同相器和第一反相器，以及第二同相器和第二反相器，
所述旋转变压器的正弦输出端分别与所述第一同相器和第一反相器的输入端连接，所述第一同相器和第一反相器的输出端分别与所述开关选择电路的输入端连接；
所述旋转变压器的余弦输出端分别与所述第二同相器和第二反相器的输入端连接，所述第二同相器和第二反相器的输出端分别与所述开关选择电路的输入端连接。
3.如权利要求2所述的一种锁相环，其特征在于，所述角度值为0°～90°。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种锁相环，其特征在于，所述角度数据集为首位的角度元素为180°，后一角度元素为其前一角度元素的一半的数列。
5.如权利要求4所述的一种锁相环，其特征在于，所述输出信号的权位为10～16位，其权位按照由高至低分别与所述数列中的角度元素对应。
6.如权利要求5所述的一种锁相环，其特征在于，还包括输出锁存电路，所述第一权位和第二权位通过所述输出锁存电路与所述开关选择电路连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN104135284A (zh) * | 2014-07-30 | 2014-11-05 | 佛山科学技术学院 | 一种鉴相方法、装置，以及锁相方法和锁相环 |
| CN110006466A (zh) * | 2017-11-27 | 2019-07-12 | Tdk株式会社 | 运算处理装置、角度传感器及动力转向装置 |
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| CN104135284B (zh) * | 2014-07-30 | 2017-05-03 | 佛山科学技术学院 | 一种鉴相方法、装置，以及锁相方法和锁相环 |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141231 Termination date: 20160730 |
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