CN220289718U - 一种用于检测相位的装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于检测相位的装置及系统，涉及检测技术领域；装置包括抗混叠低通滤波器、模数转换器和可编程逻辑芯片，抗混叠低通滤波器包括第一抗混叠低通滤波器AAF1和第二抗混叠低通滤波器AAF2，模数转换器包括第一模数转换器ADC1和第二模数转换器ADC2，第一抗混叠低通滤波器AAF1、第一模数转换器ADC1和可编程逻辑芯片依次电连接，第二抗混叠低通滤波器AAF2、第二模数转换器ADC2和可编程逻辑芯片依次电连接；系统包括上位机和上述用于检测相位的装置，上位机与可编程逻辑芯片连接并通信；其通过抗混叠低通滤波器、模数转换器和可编程逻辑芯片等，实现检测相位效率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及检测技术领域，尤其涉及一种用于检测相位的装置及系统。
背景技术
撰写人检索，检索式为(TACD＝((可编程逻辑OR FPGA)AND抗混叠低通滤波器AND(ADC OR模数转换器)))，没有获得较为接近的现有技术方案。
发明人认为：
相位测量技术是一种测量两路同频信号相位差的技术，该技术广泛应用于电力系统、测距等领域。在电力系统中通常需要对电压和电流的相位差进行监测，在电网合并合闸时也需要用到相位测量技术；通过对相位差的测量可以完成对时间差或者距离的计算。
随着电子技术的发展，相位测量技术在越来越多的领域得到应用，如通信、雷达等领域，在短波通信中，有时需要采用反干扰手段来保证通信质量，如空间功率合成技术，在这些应用领域中，高精度的相位差是一个及其重要的指标，因此就需要一种高精度、高速率、宽范围的相位测量技术。
当前有多种测量相位的方法，一种是利用商业化的测相位专用仪器测量，虽然测量精度高，但是成本高昂，可复制性差；另一种可以选择示波器测量，把相位差转换为时间差，通过测量时间间隔从而测量出相位差，或者先转化为电压，再通过电压测量出相位差，优点是只需要一部示波器即可，不需要其他的专业仪器，但是缺点也很明显，测量误差大，并且有些信号探头很难接触到，测量极其不方便。
现有技术问题及思考：
如何解决检测相位效率较低的技术问题。
实用新型内容
本实用新型提供一种用于检测相位的装置及系统，解决检测相位效率较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案在于如下方面：
一种用于检测相位的装置包括抗混叠低通滤波器、模数转换器和可编程逻辑芯片，抗混叠低通滤波器包括第一抗混叠低通滤波器AAF1和第二抗混叠低通滤波器AAF2，模数转换器包括第一模数转换器ADC1和第二模数转换器ADC2，第一抗混叠低通滤波器AAF1、第一模数转换器ADC1和可编程逻辑芯片依次电连接，第二抗混叠低通滤波器AAF2、第二模数转换器ADC2和可编程逻辑芯片依次电连接。
进一步的技术方案在于：可编程逻辑芯片包括第一带通滤波器DBPF1、第二带通滤波器DBPF2、DDS信号发生器、第一至第四乘法器、第一至第四低通滤波器DLPF1～DLPF4、第一反正切函数计算器DSP1、第二反正切函数计算器DSP2和减法器，
第一抗混叠低通滤波器AAF1、第一模数转换器ADC1和第一带通滤波器DBPF1依次电连接，第一带通滤波器DBPF1的输出端与第一乘法器的第一输入端电连接，第一乘法器的输出端、第一低通滤波器DLPF1和第一反正切函数计算器DSP1依次电连接，第一带通滤波器DBPF1的输出端与第二乘法器的第一输入端电连接，第二乘法器的输出端、第二低通滤波器DLPF2和第一反正切函数计算器DSP1依次电连接，第一反正切函数计算器DSP1与减法器电连接；
第二抗混叠低通滤波器AAF2、第二模数转换器ADC2和第二带通滤波器DBPF2依次电连接，第二带通滤波器DBPF2的输出端与第三乘法器的第一输入端电连接，第三乘法器的输出端、第三低通滤波器DLPF3和第二反正切函数计算器DSP2依次电连接，第二带通滤波器DBPF2的输出端与第四乘法器的第一输入端电连接，第四乘法器的输出端、第四低通滤波器DLPF4和第二反正切函数计算器DSP2依次电连接，第二反正切函数计算器DSP2与减法器电连接；
DDS信号发生器的第一输出端与第一乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第一输出端与第三乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第二输出端与第二乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第二输出端与第四乘法器的第二输入端电连接。
进一步的技术方案在于：带通滤波器为数字带通滤波器。
进一步的技术方案在于：低通滤波器为数字低通滤波器。
一种用于检测相位的系统包括上位机和上述用于检测相位的装置，上位机与可编程逻辑芯片连接并通信。
进一步的技术方案在于：上位机与可编程逻辑芯片通过串口连接。
进一步的技术方案在于：上位机与可编程逻辑芯片通过usb口连接。
进一步的技术方案在于：上位机与可编程逻辑芯片通过网口连接。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
第一，一种用于检测相位的装置包括抗混叠低通滤波器、模数转换器和可编程逻辑芯片，抗混叠低通滤波器包括第一抗混叠低通滤波器AAF1和第二抗混叠低通滤波器AAF2，模数转换器包括第一模数转换器ADC1和第二模数转换器ADC2，第一抗混叠低通滤波器AAF1、第一模数转换器ADC1和可编程逻辑芯片依次电连接，第二抗混叠低通滤波器AAF2、第二模数转换器ADC2和可编程逻辑芯片依次电连接。该技术方案，其通过抗混叠低通滤波器、模数转换器和可编程逻辑芯片等，实现检测相位效率高。
第二，一种用于检测相位的系统包括上位机和上述用于检测相位的装置，上位机与可编程逻辑芯片连接并通信。该技术方案，其通过抗混叠低通滤波器、模数转换器、可编程逻辑芯片和上位机等，实现检测相位效率高。
详见具体实施方式部分描述。
附图说明
图1是本实用新型实施例1的原理框图；
图2是本实用新型实施例4的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1：
如图1所示，本实用新型公开了一种用于检测相位的系统包括上位机、抗混叠低通滤波器、模数转换器和可编程逻辑芯片，抗混叠低通滤波器包括第一抗混叠低通滤波器AAF1和第二抗混叠低通滤波器AAF2，模数转换器包括第一模数转换器ADC1和第二模数转换器ADC2，可编程逻辑芯片包括第一带通滤波器DBPF1、第二带通滤波器DBPF2、DDS信号发生器、第一至第四乘法器、第一至第四低通滤波器DLPF1～DLPF4、第一反正切函数计算器DSP1、第二反正切函数计算器DSP2和减法器。
带通滤波器为数字带通滤波器，低通滤波器为数字低通滤波器。
如图1所示，第一抗混叠低通滤波器AAF1、第一模数转换器ADC1和第一带通滤波器DBPF1依次电连接，第一带通滤波器DBPF1的输出端与第一乘法器的第一输入端电连接，第一乘法器的输出端、第一低通滤波器DLPF1和第一反正切函数计算器DSP1依次电连接，第一带通滤波器DBPF1的输出端与第二乘法器的第一输入端电连接，第二乘法器的输出端、第二低通滤波器DLPF2和第一反正切函数计算器DSP1依次电连接，第一反正切函数计算器DSP1与减法器电连接。
如图1所示，第二抗混叠低通滤波器AAF2、第二模数转换器ADC2和第二带通滤波器DBPF2依次电连接，第二带通滤波器DBPF2的输出端与第三乘法器的第一输入端电连接，第三乘法器的输出端、第三低通滤波器DLPF3和第二反正切函数计算器DSP2依次电连接，第二带通滤波器DBPF2的输出端与第四乘法器的第一输入端电连接，第四乘法器的输出端、第四低通滤波器DLPF4和第二反正切函数计算器DSP2依次电连接，第二反正切函数计算器DSP2与减法器电连接。
如图1所示，DDS信号发生器的第一输出端与第一乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第一输出端与第三乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第二输出端与第二乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第二输出端与第四乘法器的第二输入端电连接。
如图1所示，上位机与可编程逻辑芯片的减法器通过网口连接并通信。
其中，可编程逻辑芯片FPGA型号为XC7K325T-2FFG676I，模数转换器ADC型号为AD9684，抗混叠低通滤波器、模数转换器和可编程逻辑芯片本身以及相应的通信连接技术为现有技术在此不再赘述。
实施例2：
本实用新型公开了一种用于检测相位的系统，不同于实施例1之处在于，上位机与可编程逻辑芯片通过串口连接并通信，相同之处不再赘述。
实施例3：
本实用新型公开了一种用于检测相位的系统，不同于实施例1之处在于，上位机与可编程逻辑芯片通过usb口连接并通信，相同之处不再赘述。
实施例4：
如图2所示，本实用新型公开了一种用于检测相位的装置包括抗混叠低通滤波器、模数转换器和可编程逻辑芯片，抗混叠低通滤波器包括第一抗混叠低通滤波器AAF1和第二抗混叠低通滤波器AAF2，模数转换器包括第一模数转换器ADC1和第二模数转换器ADC2，可编程逻辑芯片包括第一带通滤波器DBPF1、第二带通滤波器DBPF2、DDS信号发生器、第一至第四乘法器、第一至第四低通滤波器DLPF1～DLPF4、第一反正切函数计算器DSP1、第二反正切函数计算器DSP2和减法器。
带通滤波器为数字带通滤波器，低通滤波器为数字低通滤波器。
如图2所示，第一抗混叠低通滤波器AAF1、第一模数转换器ADC1和第一带通滤波器DBPF1依次电连接，第一带通滤波器DBPF1的输出端与第一乘法器的第一输入端电连接，第一乘法器的输出端、第一低通滤波器DLPF1和第一反正切函数计算器DSP1依次电连接，第一带通滤波器DBPF1的输出端与第二乘法器的第一输入端电连接，第二乘法器的输出端、第二低通滤波器DLPF2和第一反正切函数计算器DSP1依次电连接，第一反正切函数计算器DSP1与减法器电连接。
如图2所示，第二抗混叠低通滤波器AAF2、第二模数转换器ADC2和第二带通滤波器DBPF2依次电连接，第二带通滤波器DBPF2的输出端与第三乘法器的第一输入端电连接，第三乘法器的输出端、第三低通滤波器DLPF3和第二反正切函数计算器DSP2依次电连接，第二带通滤波器DBPF2的输出端与第四乘法器的第一输入端电连接，第四乘法器的输出端、第四低通滤波器DLPF4和第二反正切函数计算器DSP2依次电连接，第二反正切函数计算器DSP2与减法器电连接。
如图2所示，DDS信号发生器的第一输出端与第一乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第一输出端与第三乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第二输出端与第二乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第二输出端与第四乘法器的第二输入端电连接。
其中，可编程逻辑芯片FPGA型号为XC7K325T-2FFG676I，模数转换器ADC型号为AD9684，抗混叠低通滤波器、模数转换器和可编程逻辑芯片本身以及相应的通信连接技术为现有技术在此不再赘述。
本申请的构思：
本申请是一种高性能的相位测量技术，主要用于通信或雷达的方向，高精度宽范围高可复制性便捷相位自动测试技术。
要解决的技术问题：
要解决测量精度和带宽、可复制性及测量效率的问题，基于FPGA的数字信号系统可以很好的解决这一问题。随着电子技术的发展，可编程逻辑芯片FPGA可以做到低成本，高运行效率，高可靠性。高精度的ADC转换器可以将连续信号高效率的转换为离散信号，通过数字下变频技术可以提高工作带宽，针对可复制性及效率的问题，程序能很好的解决，程序移植简单，并且可以通过串口、usb或者网口同上位机完成数据交互。上位机可以显示测量的相位差、频率等信息同时还可以画出波形，直观便捷。上位机还可以根据输入信号频率更改系统的检波频率、滤波器等系统参数，从而平衡系统的效率、测量精度及功耗等。
技术方案说明：
首先选择一款14位的ADC转换器，其次选择一款高性能的可编程逻辑芯片FPGA，选择合适的抗混叠低通滤波器。
在两路信号(V1(t)＝cos(wt+α)和V2(t)＝cos(wt+β))输入端先接抗混叠低通滤波器，防止信号出现与ADC采样频率相关的混叠频率，然后经过ADC将连续信号离散化通过并行数据口输入到FPGA中。
FPGA先利用内部DSP设计一款带通滤波器对输入的数字信号进行滤波；FPGA通过内部资源生成两路DDS信号(X1(t)＝cos(mt)和X2(t)＝-sin(mt))，将第一路信号分别与X1(t)和X2(t)相乘，得到两路相干信号(V1I(t)＝cos(wt+α)*cos(mt)和V1Q(t)＝cos(wt+α)*(-sin(mt)))。
通过积化和差公式可得和 同理将第二路信号分别与X1(t)和X2(t)相乘也得到两路信号/>和/>
然后四路信号分别经过数字低通滤波器滤除高频信号分量分别得到 和
然后经过FPGA利用DSP资源设计的反正切函数分别计算两路相干信号的相位：
最后得到两路相位做差Δθ＝θ2(t)-θ1(t)＝β-α。
由于arctan函数的值域而相位的值域/>所以会存在相位模糊问题，需要对运算结果做如下处理，如果Δθ＞Π，则结果减去2Π，如果Δθ＜-Π，则结果加上2Π。
最终计算结果以及采集到的信号幅度频率等信息就可以通过串口或者网口传送至上位机，上位机通过得到的数据实时画图即可以显示采集到的波形，通过数显可以显示当前的相位差以及输入信号的频率等信息。
上位机还可以根据实际情况修改ADC采集的频率以及数字滤波器的截止频率等参数。
本技术方案具有以下技术特征：
1.高精度高采样率的ADC以及数字下变频技术可以让系统实现高精度测量和宽带的特点。
2.大部分工作都集成在FPGA内部通过程序实现，实现高度可复制的特点。
3.可以根据输入的信号频率实时修改ADC采集频率以及数字滤波器的参数，实现测量便捷，适应范围广的特点。
4.上位机可以直观的显示输入信号的频率、相位差等信息，实现了自动测试的特点。
本申请的技术贡献：
发明人认为本申请的技术贡献在于，在ADC转换器之前有一级抗混叠低通滤波器，用以将采样输出端与采样频率相关的混叠频率滤除，保证输入信号的质量；经过ADC采样将连续信号离散化输入FPGA之后有一级带通滤波器，该滤波器参数可以通过上位机设置，防止杂散信号对系统灵敏度有影响；另外两路信号相乘后数据长度也会变大，所以经过后级低通滤波器输出时需要进行截位操作，防止数据长度过长消耗不必要的资源；FPGA与上位机之间通信方式可以采用串口或者网口的方式，串口占用的资源少但是通信速度相对较慢，网口通信方式虽然通信速度快、距离远，但是占用的资源相对较多，两种方式都可以满足本方案的需求。
撰写人与发明人沟通后，项目组认为本项目的技术贡献在于，抗混叠低通滤波器、模数转换器和可编程逻辑芯片的结构组合，不涉及程序的方法步骤的改进。
如图2所示，抗混叠低通滤波器包括第一抗混叠低通滤波器AAF1和第二抗混叠低通滤波器AAF2，模数转换器包括第一模数转换器ADC1和第二模数转换器ADC2，可编程逻辑芯片包括第一带通滤波器DBPF1、第二带通滤波器DBPF2、DDS信号发生器、第一至第四乘法器、第一至第四低通滤波器DLPF1～DLPF4、第一反正切函数计算器DSP1、第二反正切函数计算器DSP2和减法器。
第一抗混叠低通滤波器AAF1、第一模数转换器ADC1和第一带通滤波器DBPF1依次电连接，第一带通滤波器DBPF1的输出端与第一乘法器的第一输入端电连接，第一乘法器的输出端、第一低通滤波器DLPF1和第一反正切函数计算器DSP1依次电连接，第一带通滤波器DBPF1的输出端与第二乘法器的第一输入端电连接，第二乘法器的输出端、第二低通滤波器DLPF2和第一反正切函数计算器DSP1依次电连接，第一反正切函数计算器DSP1与减法器电连接。
第二抗混叠低通滤波器AAF2、第二模数转换器ADC2和第二带通滤波器DBPF2依次电连接，第二带通滤波器DBPF2的输出端与第三乘法器的第一输入端电连接，第三乘法器的输出端、第三低通滤波器DLPF3和第二反正切函数计算器DSP2依次电连接，第二带通滤波器DBPF2的输出端与第四乘法器的第一输入端电连接，第四乘法器的输出端、第四低通滤波器DLPF4和第二反正切函数计算器DSP2依次电连接，第二反正切函数计算器DSP2与减法器电连接。
DDS信号发生器的第一输出端与第一乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第一输出端与第三乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第二输出端与第二乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第二输出端与第四乘法器的第二输入端电连接。
进一步的，包括上位机，上位机与可编程逻辑芯片FPGA电连接，可以通过串口、usb或者网口同上位机完成数据交互。
本申请内部运行一段时间后，现场技术人员反馈的有益之处在于：
与以往技术相比的有益效果，输入端通过高速率高分辨率的ADC转换器极大的拓展了可工作的频率范围，后续其他处理过程全部集成在FPGA内部，极大的降低了硬件成本，处理过程通过软件实现极大的提高了系统的可复制性，通过上位机直观的显示输入信号的频率、相位差等信息极大的提升了系统的智能化及便捷性，通过上位机可以设置ADC采集频率、滤波器截止频率等工作参数，极大的提高了系统的适应能力。因此此技术与以往相比有了极大的提高以及适应性。
目前，本实用新型的技术方案已经进行了中试，即产品在大规模量产前的较小规模试验；中试完成后，在小范围内开展了用户使用调研，调研结果表明用户满意度较高；现在已开始着手准备产品正式投产进行产业化(包括知识产权风险预警调研)。
Claims (8)
1.一种用于检测相位的装置，其特征在于：包括抗混叠低通滤波器、模数转换器和可编程逻辑芯片，抗混叠低通滤波器包括第一抗混叠低通滤波器AAF1和第二抗混叠低通滤波器AAF2，模数转换器包括第一模数转换器ADC1和第二模数转换器ADC2，第一抗混叠低通滤波器AAF1、第一模数转换器ADC1和可编程逻辑芯片依次电连接，第二抗混叠低通滤波器AAF2、第二模数转换器ADC2和可编程逻辑芯片依次电连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于检测相位的装置，其特征在于：可编程逻辑芯片包括第一带通滤波器DBPF1、第二带通滤波器DBPF2、DDS信号发生器、第一至第四乘法器、第一至第四低通滤波器DLPF1～DLPF4、第一反正切函数计算器DSP1、第二反正切函数计算器DSP2和减法器，
第一抗混叠低通滤波器AAF1、第一模数转换器ADC1和第一带通滤波器DBPF1依次电连接，第一带通滤波器DBPF1的输出端与第一乘法器的第一输入端电连接，第一乘法器的输出端、第一低通滤波器DLPF1和第一反正切函数计算器DSP1依次电连接，第一带通滤波器DBPF1的输出端与第二乘法器的第一输入端电连接，第二乘法器的输出端、第二低通滤波器DLPF2和第一反正切函数计算器DSP1依次电连接，第一反正切函数计算器DSP1与减法器电连接；
第二抗混叠低通滤波器AAF2、第二模数转换器ADC2和第二带通滤波器DBPF2依次电连接，第二带通滤波器DBPF2的输出端与第三乘法器的第一输入端电连接，第三乘法器的输出端、第三低通滤波器DLPF3和第二反正切函数计算器DSP2依次电连接，第二带通滤波器DBPF2的输出端与第四乘法器的第一输入端电连接，第四乘法器的输出端、第四低通滤波器DLPF4和第二反正切函数计算器DSP2依次电连接，第二反正切函数计算器DSP2与减法器电连接；
DDS信号发生器的第一输出端与第一乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第一输出端与第三乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第二输出端与第二乘法器的第二输入端电连接，DDS信号发生器的第二输出端与第四乘法器的第二输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于检测相位的装置，其特征在于：带通滤波器为数字带通滤波器。
4.根据权利要求2所述的一种用于检测相位的装置，其特征在于：低通滤波器为数字低通滤波器。
5.一种用于检测相位的系统，其特征在于：包括上位机和权利要求1～4中任意一项所述的用于检测相位的装置，上位机与可编程逻辑芯片连接并通信。
6.根据权利要求5所述的一种用于检测相位的系统，其特征在于：上位机与可编程逻辑芯片通过串口连接。
7.根据权利要求5所述的一种用于检测相位的系统，其特征在于：上位机与可编程逻辑芯片通过usb口连接。
8.根据权利要求5所述的一种用于检测相位的系统，其特征在于：上位机与可编程逻辑芯片通过网口连接。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |