一种信号相位差的检测方法及系统与流程

本发明涉及信息检测控制领域，特别是涉及一种信号相位差的检测方法及系统。

背景技术：

相位是交变信号的三大要素之一，而相位差则是描述两个频率相同的交流信号之间关系的重要参数；相位差检测系统是电气测量中的一种常用电路，在工业自动化、智能控制、移动通讯、传感器检测等系统中得到广泛的应用；频率相同相位差检测算法在各个领域都有着重要的应用，目前最常用的相位差检测算法是数字计数器检测法，数字计数器检测的算法和结构比较简单，在实际工程中经常以高电平脉冲的检测精度来表征相位差精度。

检测时一般采用工作频率大于待检测频率的高频计数器对待检测信号的高电平脉冲宽度在设定周期范围内进行计数，如果要求能够检测到的最小脉冲宽度为1ns，那么计数器就需要至少1GHz的工作频率；因此这种检测方法是通过提高检测电路的工作频率来达到所要求的检测精度，如果待测信号频率本身就很高或者相位检测精度的要求进一步提升，现有的制造工艺就很难达到电路所需要的工作频率。

技术实现要素：

本发明的提供了一种信号相位差的检测方法及系统，其目的是通过利用微小差频时钟采样信号实现检测同频相位差。

本发明提供的技术方案如下：

一种信号相位差的检测方法，包括：步骤S100获取待检测信号及频率相同且具有基准相位的基准信号，并根据所述待检测信号的信号频率结合所需的检测精度信息获取总采样次数；步骤S200将所述基准信号与所述待检测信号组合成为与所述待检测信号频率相同的待检相差信号；步骤S300根据信号频率获取所述待检相差信号的脉宽个数信息；步骤S400根据所需的检测精度信息和所述脉宽个数信息获取所述待检测信号的相位差信息。

在本发明中，相位差检测方法基于待测信号频率已知的前提条件下，通过在时域上扩展采样次数，把对采样时钟频率的要求转换成了采样时钟精度的要求，从而达到了减小检测电路工作频率的目的。

优选的，所述步骤S300还包括：步骤S310根据所述待检测信号的所需精度信息获取所述信号频率，并根据所述信号频率生成检测方波信号；其中，所述检测方波信号的信号频率为高于所述待检测信号频率的检测高频率或低于所述待检测信号频率的检测低频率；步骤S320根据所述检测方波信号与所述待检相差信号进行比对；步骤S330根据所述步骤S320比对的结果对所述待检相差信号的脉宽个数进行检测；步骤340根据所述检测方波信号的信号频率获取所述步骤S330检测并累加的所述待检相差信号的脉宽个数。

在本发明中，根据待检测信号的检测精度，求取总采样次数，进一步根据总采样次数获得检测频率，通过本发明提供的算法获取的检测频率远远低于现有技术的检测频率，同时提供两种检测频率；一来降低了待测信号的检测条件，二来通过两种相对较低的检测频率可以相互提供验证，对于待检测信号检测的精准性得到保证，解决了用高频率检测低频信号的问题，使其计算量减小，检测更加快捷。

优选的，所述步骤S330包括：步骤S331当所述检测高频率处于高电平时，检测到所述待检相差信号从下降沿至上升沿时进行一次累加；执行步骤S340。

优选的，所述步骤S330还包括：步骤S332当所述检测低频率处于高电平时，检测到所述待检相差信号从上升沿至下降沿时进行一次累加；执行步骤S340。

在本发明中，通过设置的不同检测频率在设定的检测周期内获取待检测信号的脉宽个数；通过将检测信号变换成方波信号，通过上升沿或者下降的变化获取脉宽个数，该种检测方式更加直观，方便。

优选的，所述步骤S200还包括：步骤S210将所述基准信号与所述待检测信号分别变换成同频率的方波信号；步骤S220将所述基准信号与所述待检测信号分别变换后的同频率的方波信号进行二分频变换；步骤S230进一步将二分频后的所述基准信号与所述待检测信号的方波信号进行逻辑运算得到与所述待检测信号频率相同的所述待检相差信号。

在本发明中，将待检测信号通过延迟变换后进一步的变换成相差信号，并将其转换成方波待检信号；首先为进行脉宽计数提供有利基础工作；其次对脉宽计数更加准确；最后有助于本发明的算法的实现。

优选的，所述总采样次数的模型包括：σ＝1/f₀·10^a，σ--所述待检信号精度，f₀--所述待检测信号的信号频率，10^a--所述总采样次数。

优选的，所述检测方波信号的检测高频率的模型包括：f₁＝(1+1/10^a)f₀，f₁--所述检测方波信号的检测高频率。

优选的，所述检测方波信号的检测低频率的模型包括：f₂＝(1-1/10^a)f₀，f₂--所述检测方波信号的检测低频率。

优选的，所述待检测信号的相位差信息的模型包括：Δθ＝2π·N(1)/10^a，N(1)--所述待检相差信号的脉宽个数信息，Δθ--所述待检测信号的相位差。

一种同频信号的相位差的检测系统，包括：总采样次数获取模块，获取与待检测信号及频率相同且具有基准相位的基准信号，并根据所述待检测信号的信号频率结合所需的检测精度信息获取总采样次数；待检测信号获取模块，与所述检测精度获取模块电连接，将所述基准信号与所述待检测信号组合成为与所述待检测信号频率相同的待检相差信号；待检测脉宽统计模块，与所述待检测信息获取模块电连接，根据信号频率获取所述待检相差信号的脉宽个数信息；相位差信息获取模块，与所述待检测脉宽统计模块电连接，根据所需的检测精度信息和所述脉宽个数信息获取所述待检测信号的相位差信息。

在本发明中，相位差检测方法基于待测信号频率已知的前提，通过在时域上扩展采样次数，把对采样时钟频率的要求转换成了采样时钟精度的要求，从而达到了减小检测电路工作频率的目的。

与现有技术相比，本发明提供一种信号相位差的检测方法及系统，至少带来以下一种技术效果:

在本发明中，通过检测精度获取总的采样次数，进一步根据总的采样次数，求取对待检测信号的检测频率，根据检测频率获取周期时间的待检测信号的脉宽个数，最后完成对待检测信号相位差的求取；本发明获得的检测频维持在待检测信号的频率附近；因此在工程检测过程中，不会增加检测工艺；适应的更多的检测过程，特别适用于高精度高频率的待检测信号，本发明解决了利用微小差频时钟采样信号检测同频相位差的问题。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种信号相位差的检测方法及系统特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明一种信号相位差的检测方法一个实施例的流程图；

图2是本发明一种信号相位差的检测方法另一个实施例的流程图；

图3是本发明一种信号相位差的检测方法另一个实施例的流程图；

图4是本发明一种信号相位差的检测系统一个实施例的结构图；

图5是本发明信号变换实施例的信号图；

图6是本发明高检测频率实施例统计图；

图7是本发明低检测频率实施例统计图；

图8是本发明一种信号相位差的检测系统另一个实施例的结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

本发明提供一种信号相位差的检测方法的一个实施例，包括：步骤S100获取待检测信号及频率相同且具有基准相位的基准信号，并根据所述待检测信号的信号频率结合所需的检测精度信息获取总采样次数；步骤S200将所述基准信号与所述待检测信号组合成为与所述待检测信号频率相同的待检相差信号。步骤S300根据信号频率获取所述待检相差信号的脉宽个数信息；步骤S400根据所需的检测精度信息和所述脉宽个数信息获取所述待检测信号的相位差信息。

具体的，在本实施例中，参考图1和图5所示；假设基准信号V1和待测信号V2的频率为f₀，先将频率相同的基准信号V1和待测信号V2经过放大整变换成为待检相差信号F，信号F的频率为f₀，若系统对F脉宽的检测精度要求为σ，根据检测精度以及待检信号的频率f₀求取总采样次数，总采样次数计算的模型为：σ＝1/f₀·10^a，由此可以求得总的采样次数10^a；待检相差信号F的脉宽个数信息假设最终计数器的值为N(1)，所述待检测信号的相位差信息的模型包括：Δθ＝2π·N(1)/10^a。

在本发明中，相位差检测方法基于待测信号频率已知的前提，通过在时域上扩展采样次数，把对采样时钟频率的要求转换成了采样时钟精度的要求，从而达到了减小检测电路工作频率的目的。

优选的，所述步骤S300还包括：步骤S310根据所述待检测信号的所需精度信息获取所述信号频率，并根据所述信号频率生成检测方波信号；其中，所述检测方波信号的信号频率为高于所述待检测信号频率的检测高频率或低于所述待检测信号频率的检测低频率；步骤S320根据所述检测方波信号与所述待检相差信号进行比对；步骤S330根据所述步骤S320比对的结果对所述待检相差信号的脉宽个数进行检测；步骤340根据所述检测方波信号的信号频率获取所述步骤S330检测并累加的所述待检相差信号的脉宽个数。

具体的，本实施例是以上一实施例为基础提供的又一实施例；参考图2和图5所示；检测高频率为图5中的f₁，检测低频率为图5中的f₂；分别将以f₁和f₂为检测频率生成的方波波形信号与待检相差信号f₀＝f进行比对，根据时间延迟的快慢进行比对，检测待检相差信号F在设置不同的条件下生成的脉宽，即一个周期内的高电平个数进行累加统计，统计果结为N(1)；所述检测方波信号的检测高频率的计算方法为：f₁＝(1+1/10^a)f₀，所述检测方波信号的检测低频率的计算方法为：f₂＝(1-1/10^a)f₀；总采样次数为10^a次。

在本发明中，根据待检测信号的检测精度，求取总采样次数，进一步根据总采样次数获得检测频率，通过本发明提供的算法获取的检测频率远远低于现有技术的检测频率，同时提供两种检测频率；一来降低了待测信号的检测条件，二来通过两种相对较低的检测频率可以相互提供验证，对于待检测信号检测的精准性得到保证，解决了用高频率检测低频信号的问题，使其计算量减小，检测更加快捷。

优选的，所述步骤S330包括：步骤S331当所述检测高频率处于高电平时，检测到所述待检相差信号从下降沿至上升沿时进行一次累加；执行步骤S340；优选的，所述步骤S330还包括：步骤S332当所述检测低频率处于高电平时，检测到所述待检相差信号从上升沿至下降沿时进行一次累加；执行步骤S340；

具体的，本实施例是以上一实施例为基础提供的又一实施例；参考图3所示；结合图6是信号采样的示意图如所示，f₁为检测高频率条件下产生的差频信号。由于f₁和f₀之间存在微小的频差，f₁稍快于f₀，因此会在采样过程中从F信号的下降沿采样至其上升沿，在此期间计数器会在每一个f₁的上升沿加一。而当f₁的上升沿位于F的低电平期间，计数器保持不变。图7另一种方法是通过产生一个比基准频率f₀略小的时钟信号，例如f₂为检测低频率条件下产生的差频信号，对F信号相位差检测，最终的相位差计算公式与上式相同，与用f₁采样的区别在于，f₁是从F的下降沿采样到上升沿，而f₂因为比F稍慢，所以是从信号F的上升沿采样到下降沿，总采样次数为10^a次。

在本发明中，通过设置的不同检测频率在设定的检测周期内获取待检测信号的脉宽个数；通过将检测信号变换成方波信号，通过上升沿或者下降的变化获取脉宽个数，该种检测方式更加直观，方便。

优选的，所述步骤S200还包括：步骤S210将所述基准信号与所述待检测信号分别变换成同频率的方波信号；步骤S220将所述基准信号与所述待检测信号分别变换后的同频率的方波信号进行二分频变换；步骤S230进一步将二分频后的所述基准信号与所述待检测信号的方波信号进行逻辑运算得到与所述待检测信号频率相同的所述待检相差信号。

具体的，本实施例是以上一实施例为基础提供的又一实施例；参考图3所示；结合图5所示；A--幅值，sinωt--基准信号，基准信号变换成方波信号的模型包括：B(t)＝A·sgn[sinωt]，其建立的波形为B；待检测信号变换成方波信号的模型包括：C(t)＝A·sgn[sin(ωt-θ)]，0≤θ＜2π，θ--相位差，sin(ωt-θ)--所述待检测信号,其建立的波形为C；经过二分频变换后波形B变为D，波形C变为E，D和E波形进行异或运算，变换成与f₀同频率的F即为待检相差信号，采用f₁和f₂进行相位差检测的区别如图6和图7所示：由于f₁稍快于F信号的f₀，因此在对F信号的采样过程中f₁的上升沿会沿着F信号从右向左移动；而f₂稍慢于F信号的f₀，因此在对F信号的采样过程中f₂的上升沿会沿着F信号从左向右移动。f₁和f₂在每经过一个F的周期就会相对F偏移一个固定的时间Δt＝1/f₀·10^a；因此在10^a个F周期之后，f₁和f₂就能完整的遍历F的一个周期。

在本发明中，将待检测信号通过延迟变换后进一步的变换成相差信号，并将其转换成方波待检信号；首先为进行脉宽计数提供有利基础工作；其次对脉宽计数更加准确；最后有助于本发明的算法的实现。

本发明还提供一种信号相位差的检测方法的一个实施例，参考图3所示，其包括：步骤S100获取待检测信号及频率相同且具有基准相位的基准信号，并根据所述待检测信号的信号频率结合所需的检测精度信息获取总采样次数；步骤S210将所述基准信号与所述待检测信号分别变换成同频率的方波信号；步骤S220将所述基准信号与所述待检测信号分别变换后的同频率的方波信号进行二分频变换；步骤S230进一步将二分频后的所述基准信号与所述待检测信号的方波信号进行逻辑运算得到与所述待检测信号频率相同的所述待检相差信号；步骤S310根据所述待检测信号的所需精度信息获取所述信号频率，并根据所述信号频率生成检测方波信号；其中，所述检测方波信号的信号频率为高于所述待检测信号频率的检测高频率或低于所述待检测信号频率的检测低频率；步骤S320根据所述检测方波信号与所述待检相差信号进行比对；步骤S331当所述检测高频率处于高电平时，检测到所述待检相差信号从下降沿至上升沿时进行一次累加；执行步骤S340；步骤S332当所述检测低频率处于高电平时，检测到所述待检相差信号从上升沿至下降沿时进行一次累加；执行步骤S340；步骤340根据所述检测方波信号的信号频率获取所述步骤S330检测并累加的所述待检相差信号的脉宽个数；步骤S400根据所需的检测精度信息和所述脉宽个数信息获取所述待检测信号的相位差信息。

具体的，sinωt为基准信号，sin(ωt-θ)为待检测信号，通过延时器产生θ为相位差，0≤θ＜2π；其基准信号和待检测信的频率为f₀，参考图5所示，进一步进行放大整形为方波信号，A--幅值，基准信号变换成方波信号的模型包括：B(t)＝A·sgn[sinωt]，其建立的波形为B；待检测信号变换成方波信号的模型包括：C(t)＝A·sgn[sin(ωt-θ)]，其建立的波形为C；经过二分频变换后波形B变为D，波形C变为E，D和E波形进行异或运算，变换成与f₀同频率的F即为待检相差信号；根据精度已知，计算总采样次数计算的模型为σ＝1/f₀·10^a；由此可以求得总的采样次数10^a；进一步的求取检测频率，根据检测频率变换成比待检测频率高和低的两种检测频率，并生成方波信号，检测方波信号的检测高频率的计算方法为：f₁＝(1+1/10^a)f₀，检测方波信号的检测低频率的计算方法为：f₂＝(1-1/10^a)f₀；利用检测方波信号与待检测方波信号进行比对，求取在一个检测周期内信号F在不同频率下统计的脉宽个数N(1)；由此根据待检测信号的相位差信息的模型：Δθ＝2π·N(1)/10^a，求得相位差。

在本发明中，通过检测精度获取总的采样次数，进一步根据总的采样次数，求取对待检测信号的检测频率，根据检测频率获取周期时间的待检测信号的脉宽个数，最后完成对待检测信号相位差的求取；本发明获得的检测频维持在待检测信号的频率附近；因此在工程检测过程中，不会增加检测工艺；适应的更多的检测过程，特别适用于高精度高频率的待检测信号，本发明解决了利用微小差频时钟采样信号检测同频相位差的问题。

一种同频信号的相位差的检测系统，包括：总采样次数获取模块100，获取与待检测信号及频率相同且具有基准相位的基准信号，并根据所述待检测信号的信号频率结合所需的检测精度信息获取总采样次数；待检测信号获取模块200，与所述检测精度获取模块100电连接，将所述基准信号与所述待检测信号组合成为与所述待检测信号频率相同的待检相差信号；待检测脉宽统计模块300，与所述待检测信息获取模块200电连接，根据信号频率获取所述待检相差信号的脉宽个数信息；相位差信息获取模块400，与所述待检测脉宽统计模块300电连接，根据所需的检测精度信息和所述脉宽个数信息获取所述待检测信号的相位差信息。

具体的，在本实施例中，参考图4结合图5、6、8所示；总采样次数获取模块100系统通过预设的检测精度获取总的采样次数10^a，假设σ＝1ns，而待检测信号频率为100KHz，根据模型公式σ＝1/f₀·10^a，即1ns＝1/100KHz·10^a，推算出a＝4；sinωt为基准信号，根据待检测信号获取模块200获取sin(ωt-θ)为待检测信号，通过延时器产生θ为相位差，0≤θ＜2π；其基准信号和待检测信的频率为f₀，参考图5所示，进一步进行放大整形为方波信号，A--幅值，基准信号变换成方波信号的模型包括：B(t)＝A·sgn[sinωt]，其建立的波形为B；待检测信号变换成方波信号的模型包括：C(t)＝A·sgn[sin(ωt-θ)]，其建立的波形为C；经过二分频变换后波形B变为D，波形C变为E，D和E波形进行异或运算，变换成与f₀同频率的F即为待检相差信号；进一步的求取检测频率，根据待检测脉宽统计模块300检测频率变换成比待检测频率高和低的两种检测频率，并生成方波信号，检测方波信号的检测高频率的计算方法为：f₁＝(1+1/10^a)f₀，检测方波信号的检测低频率的计算方法为：f₂＝(1-1/10^a)f₀；f₁和f₂通过时钟产生电路模块PLL 40。因此本实施例中，检测方波信号的频率为f₁＝100.01KHz或f₂＝99.99KHz的时钟信号对差频信号F进行采样，如果时钟上升沿采样到的F信号是高电平，则计数器加1，如果采样到的F信号是低电平，则计数器不变；利用相位差信息获取模块400，经过10^a次采样后，假设最终计数器的值为N(1)，则最终通过相位差公式：Δθ＝2π·N(1)/10^a，可以实现精度为1ns的相位差检测。

在本发明中，相位差检测方法基于待测信号频率已知的前提，通过在时域上扩展采样次数，把对采样时钟频率的要求转换成了采样时钟精度的要求，从而达到了减小检测电路工作频率的目的。

本发明还提供了一个实施例，参考图8所示，基准信号B与待检信号输出模块10电连接，并通过待检信号输出模块10生成的待检测信号C，经过相位差提取模块20产生如图5所示的F信号，基准信号和待检测信号两个输入信号经过过零比较器产生B和C信号、通过二分频电路产生D和E信号，最后通过异或门产生F信号。在检测F信号的高电平脉宽时，脉宽检测电路30由两个计数器构成，计数器1用于计算总共需要采样的次数，即10^a次，假设为10000次。第二个计数器用于记录采样到高电平的次数。当计数器1和计数器2同时开始计数，当计数器1计满10000次，会产生一个停止信号通知计数器2停止工作。如果当计数器1计满10000次时，计数器2的结果是b，就表示F的脉宽为bns，换算为相位差就是(2π·b)/10000。计数器每一个步阶所代表的相位差测量精度为2π/10000。假设，如果当计数器1计满10000次时，计数器2的结果是0，表示基准信号和待测信号之间没有相位差；计数器2结果是1，表示F高电平脉宽为1ns，实际相位差为2π/10000；若计数器2结果为10000，表示F高电平脉宽为10μs，实际相位差为2π。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。