基于分频方式的相位差精确测量系统的制作方法

本实用新型涉及信号处理技术领域，具体涉及一种基于分频方式的相位差精确测量系统。

背景技术：

相位检测是许多测量工程的一项基本而重要的任务，在通信和自动控制领域有着广泛的应用。常见的相位检测电路的检测范围一般比较窄，通常只有180°，而能够检测360°范围相位差的电路常在区域拼接处存在奇点，电路在这个奇点的表现相当不稳定。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于分频方式的相位差精确测量系统，该系统的检测范围宽，在0°～360°范围内无奇点，核心电路结构简单、速度快。

为解决上述技术问题，本实用新型公开的一种基于分频方式的相位差精确测量系统，其特征在于：它包括第一放大整形器、第二放大整形器、分频鉴相器、选通控制器、积分变换器和微处理器，其中，所述选通控制器包括二通道模拟开关K1、二通道模拟开关K2和二通道模拟开关K3，第一放大整形器和第二放大整形器的信号输入端分别连接频率相同且相差恒定的第一被测信号接口JI和第二被测信号接口J2，第一放大整形器的信号输出端连接分频鉴相器的第一信号输入端，第二放大整形器的信号输出端连接分频鉴相器的第二信号输入端，分频鉴相器的周期脉宽信号输出端连接选通控制器的二通道模拟开关K1的第一输入接线端，分频鉴相器的相差脉宽信号输出端连接选通控制器的二通道模拟开关K1的第二输入接线端，二通道模拟开关K1的输出接线端连接二通道模拟开关K2的第二输入接线端，二通道模拟开关K2的第一输入接线端接空，二通道模拟开关K2的输出接线端连接积分变换器的信号输入端，积分变换器的模拟电压输出端连接微处理器的内部模数转换器的信号输入端，积分变换器的模拟电压输出端还连接选通控制器的二通道模拟开关K3的输入接线端，二通道模拟开关K3的第一输出接线端接空，二通道模拟开关K3的第二输出接线端接地，微处理器的第一选通控制信号输出端连接二通道模拟开关K1的控制端，微处理器的第二选通控制信号输出端连接二通道模拟开关K2的控制端，微处理器的放电控制信号输出端连接二通道模拟开关K3的控制端。

本实用新型设计的上述系统基于分频的方式，由于对输入信号先进行了分频，其周期就得到了翻倍，使得检测范围得以扩大。采用积分方式测量脉冲宽度，使得测量精度大大提高。

附图说明

图1为本实用新型的整体原理框图；

图2为本实用新型中分频鉴相的原理框图；

图3为本实用新型中分频鉴相电路输入输出信号波形图；

图4为本实用新型中选通控制器的原理框图；

图5为本实用新型中积分变换器的原理框图；

图6为本实用新型中积分变换电路输入输出信号波形图；

图7为本实用新型系统的输出测试图。

其中，1—第一放大整形器、2—第二放大整形器、3—分频鉴相器、4—选通控制器、5—积分变换器、6—微处理器、7—液晶显示器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：

本实用新型的所设计的基于分频方式的相位差精确测量系统，如图1～7所示，它包括第一放大整形器1、第二放大整形器2、分频鉴相器3、选通控制器4、积分变换器5和微处理器6，其中，所述选通控制器4包括二通道模拟开关K1、二通道模拟开关K2和二通道模拟开关K3，第一放大整形器1和第二放大整形器2的信号输入端分别连接频率相同且相差恒定的第一被测信号接口JI和第二被测信号接口J2，第一放大整形器1的信号输出端连接分频鉴相器3的第一信号输入端，第二放大整形器2的信号输出端连接分频鉴相器3的第二信号输入端，分频鉴相器3的周期脉宽信号输出端连接选通控制器4的二通道模拟开关K1的第一输入接线端，分频鉴相器3的相差脉宽信号输出端连接选通控制器4的二通道模拟开关K1的第二输入接线端，二通道模拟开关K1的输出接线端连接二通道模拟开关K2的第二输入接线端，二通道模拟开关K2的第一输入接线端接空，二通道模拟开关K2的输出接线端连接积分变换器5的信号输入端，积分变换器5的模拟电压输出端连接微处理器6的内部模数转换器的信号输入端，积分变换器5的模拟电压输出端还连接选通控制器4的二通道模拟开关K3的输入接线端，二通道模拟开关K3的第一输出接线端接空，二通道模拟开关K3的第二输出接线端接地，微处理器6的第一选通控制信号输出端IO1连接二通道模拟开关K1的控制端SELE，微处理器6的第二选通控制信号输出端IO2连接二通道模拟开关K2的控制端CHAR，微处理器6的放电控制信号输出端IO3连接二通道模拟开关K3的控制端DISC。

上述技术方案中，二通道模拟开关K1、二通道模拟开关K2、二通道模拟开关K3的电源正极接口连接均电源VDD，电源负极接口均连接负极电源VSS，接地端GND均接地。

上述技术方案中，所述分频鉴相器3包括D型触发器U5A、D型触发器U5B和与门U6A，其中，D型触发器U5A的数据输入端1D连接D型触发器U5A的数据反相输出端～1Q，D型触发器U5A的置位端～1PR和D型触发器U5A的清零端～1CLR均连接电源VDD，第一放大整形器1的信号输出端连接D型触发器U5A的时钟输入端1CLK，D型触发器U5A的数据输出端1Q用于输出周期脉宽信号(方波信号T_c)，D型触发器U5B的数据输入端2D连接与门U6A的输出端，D型触发器U5B的置位端～2PR和D型触发器U5B的清零端～2CLR连接电源VDD，与门U6A的第一输入端连接D型触发器U5A的数据输出端1Q，与门U6A的第二输入端连接D型触发器U5B的数据反相输出端～2Q，第二放大整形器2的信号输出端连接D型触发器U5B的时钟输入端2CLK，与门U6A的输出端用于输出相差脉宽信号(相位差信号T_p)。

上述分频鉴相器3中的触发器U5A完成二分频工作，第一方波信号SN1由D型触发器U5A的时钟输入端1CLK输入，方波信号T_c(二分频信号)由D型触发器U5A的数据输出端1Q输出。D型触发器U5B和与门U6A完成鉴相工作，相差脉宽信号由与门U6A的输出端给出。分频鉴相器3的波形如图3所示。

上述技术方案中，所述积分变换器5包括电阻R51、电阻R52、积分电容C51、三极管Q51、三极管Q52、发光二极管LED51和非门U9A，其中，非门U9A的输入端连接二通道模拟开关K2的输出接线端，非门U9A的输出端连接电阻R52的一端，电阻R52的另一端连接三极管Q51的集电极，三极管Q51的发射极连接电源VDD，电阻R51的一端连接电源VDD，电阻R51的另一端连接三极管Q51的基极，三极管Q51的基极连接三极管Q52的发射极，三极管Q52的基极连接三极管Q51的集电极，三极管Q52的集电极连接发光二极管LED51的正极，发光二极管LED51的负极为积分变换器5的模拟电压输出端，积分电容C51的一端连接发光二极管LED51的负极，积分电容C51的另一端接地。积分变换器5的波形如图6所示。

上述积分变换器5中，电阻R51、电阻R52、三极管Q51和三极管Q52组成恒流源，非门U9A输出端控制着该恒流源的开通和截止。在非门U9A的输入端T_s出现高电平时恒流源输出端通过发光二极管LED51对积分电容C51充电，在非门U9A的输入端T_s出现低电平时恒流源停止对积分电容C51充电。此处发光二极管LED51有两个作用：一是充电的过程显示；二是起降压作用，限制积分输出电压幅度，使其满足后级微处理器6的内部模数转换器输入电压范围的要求。在一个积分周期T内，积分电容C51两端的累积电压U_c满足下面表达式

其中，C是积分电容C51的电容量，T_s是信号脉冲正频宽度，n是一个积分周期T内包含的脉冲个数，这里的T>>T_s，常量I是恒流源电流。当积分时间T和信号周期一定时，n是一个定数。因此可得：

U_c∝T_s

把相差脉宽信号和周期脉宽信号依次送入积分变换器5，依次测量出积分终了的电压U_p和U_c，即可以求出相位差；

上述技术方案中，所述选通控制器4还包括电阻R41和电阻R42，其中电阻R41的一端连接二通道模拟开关K2的输出接线端，电阻R41的另一端接地，积分变换器5的模拟电压输出端通过电阻R42连接选通控制器4的二通道模拟开关K3的输入接线端。

上述技术方案中，所述微处理器6的显示信号输出端连接有液晶显示器7的信号输入端。

一种利用上述系统进行相位差精确测量的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：被测装置(声电，光电，磁电，力电传感器)输出频率相同、相差恒定的第一路被测信号和第二路被测信号(1～100kHz)，第一路被测信号通过第一被测信号接口JI进入第一放大整形器1进行放大整形处理，得到CMOS逻辑电平的第一方波信号SN1(5V)，第二路被测信号通过第二被测信号接口J2进入第二放大整形器2进行放大整形处理，得到CMOS逻辑电平的第二方波信号SN2(5V)；

步骤2：CMOS逻辑电平的第一方波信号SN1和CMOS逻辑电平的第二方波信号SN2分别进入分频鉴相器3的第一信号输入端和第二信号输入端，分频鉴相器3将CMOS逻辑电平的第一方波信号SN1进行二分频获得占空比为50％的方波信号T_c(该方波T_c正频宽和负频宽都等于第一方波信号SN1的一个周期)，即周期脉宽信号，分频鉴相器3还产生CMOS逻辑电平的第一方波信号SN1和CMOS逻辑电平的第二方波信号SN2的相位差信号T_p(该相位差信号T_p正频宽度等于第二方波信号SN2落后第一方波信号SN1的时间)，即相差脉宽信号；

步骤3：选通控制器4在微处理器6的控制下依次将相差脉宽信号和周期脉宽信号输送到积分变换器5，积分变换器5分别对相差脉宽信号和周期脉宽信号进行积分变换，积分变换器5依次输出正比于相差脉宽信号的电压信号U_P和正比于周期脉宽信号的电压信号U_C；

步骤4：微处理器6的内部模数转换器读取电压信号U_P和电压信号U_C，并计算电压信号U_P和电压信号U_C的比值(由于电压信号U_P或电压信号U_C，通常是成百上千个信号脉冲积累给出的结果，所以极大的提高了相位差测量精度)；

相位差＝360°*(U_P/U_C)

即完成了对被测装置输出的第一路被测信号和第二路被测信号之间相差的检测。

上述技术方案中，所述微处理器6的第一选通控制信号输出端输出的选通信号SELE控制二通道模拟开关K1让相差脉宽信号或周期脉宽信号通过，微处理器6的第二选通控制信号输出端输出的选通信号通过二通道模拟开关K2控制积分变换器5的积分变换开始和结束，微处理器6的放电控制信号输出端DISC控制积分变换器5中积分电容C51的放电和终止。

上述技术方案中，选通控制器4在微处理器6的控制下依次将相差脉宽信号和周期脉宽信号输送到积分变换器5的控制步骤为：

步骤3.1：微处理器6控制二通道模拟开关K1，使相差脉宽信号通过；

步骤3.2：微处理器6控制二通道模拟开关K2将相差脉宽信号输送到积分变换器5进行积分变换；

步骤3.3：积分变换完成后微处理器6控制二通道模拟开关K2将相差脉宽信号断开停止积分变换；

步骤3.4：微处理器6的内部模数转换器读取积分变换器5输出的电压信号U_P；

步骤3.5：微处理器6控制二通道模拟开关K3使积分变换器5放电，清零积分电压；

步骤3.6：积分变换器5放电预设时间后，微处理器6控制二通道模拟开关K1，使周期脉宽信号通过；

步骤3.7：微处理器6控制二通道模拟开关K2将周期脉宽信号输送到积分变换器5进行积分变换；

步骤3.8：积分变换完成后微处理器6控制二通道模拟开关K2将周期脉宽信号断开停止积分变换；

步骤3.9：微处理器6的内部模数转换器读取积分变换器5输出的电压信号U_C；

步骤3.10：微处理器6控制二通道模拟开关K3使积分变换器5放电，清零积分电压；

步骤3.11：积分变换器5放电预设时间后微处理器6计算电压信号U_P与电压信号U_C的比值并输出结果，完成一个检测循环。

上述技术方案中，所述步骤3中，选通控制器4在微处理器6的控制下依次将相差脉宽信号和周期脉宽信号输送到积分变换器5的控制步骤还可以为：

步骤3.01：微处理器6控制二通道模拟开关K1，使周期脉宽信号通过；

步骤3.02：微处理器6控制二通道模拟开关K2将周期脉宽信号输送到积分变换器5进行积分变换；

步骤3.03：积分变换完成后微处理器6控制二通道模拟开关K2将周期脉宽信号断开停止积分变换；

步骤3.04：微处理器6的内部模数转换器读取积分变换器5输出的电压信号U_C；

步骤3.05：微处理器6控制二通道模拟开关K3使积分变换器5放电，清零积分电压；

步骤3.06：积分变换器5放电预设时间后，微处理器6控制二通道模拟开关K1，使相差脉宽信号通过；

步骤3.07：微处理器6控制二通道模拟开关K2将相差脉宽信号输送到积分变换器5进行积分变换；

步骤3.08：积分变换完成后微处理器6控制二通道模拟开关K2将相差脉宽信号断开停止积分变换；

步骤3.09：微处理器6的内部模数转换器读取积分变换器5输出的电压信号U_p；

步骤3.010：微处理器6控制二通道模拟开关K3使积分变换器5放电，清零积分电压；

步骤3.011：积分变换器5放电预设时间后微处理器6计算电压信号U_P与电压信号U_C的比值并输出结果，完成一个检测循环。

上述技术方案中，当输入信号第二方波信号SN2落后第一方波信号SN1的相位差从0°至360°之间变化时，该相差脉宽信号的正频宽度在0至T_C(一个输入信号周期)间随之成比例变化。根据相差脉宽信号和周期脉宽信号，可以求出第一方波信号SN1和第二方波信号SN2的相位差(单位：度)

相位差＝360°*相差脉宽/周期脉宽

图7所示为根据上述技术方案完成的相位差检测装置对10KHz信号的检测结果。图7中横坐标表示信号相位差，纵坐标表示本装置测量显示的结果(以百分比表示出的相位差)。说明本装置对0°至360°相位差有非常好的线性表现，并且在整个360°范围内不存在奇点。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。