专利名称：数字化高精度相位检测器的制作方法
技术领域：
本发 明涉及信号相位测量技术领域，具体涉及一种具有精确测量两路被测信号相 位差的数字化高精度相位检测器。
背景技术：
相位测量技术广泛地用于电力工业、机械工程、航天航空、资源勘探、通信系统、雷 达及声纳等领域。随着当代科学技术水平的迅猛提高，各应用领域对相位测量技术提出了 新的要求，使得相位检测器朝着宽量程、宽频带、高精度、数字化、智能化的方向发展。传统的相位检测器有多种，根据其实现方式，可以分为模拟和数字两大类。其中， 模拟相位检测器主要有脉冲填充计数式，将被测信号整形成方波信号并形成输出脉冲序 列的脉宽信号，以此控制闸门电路得到高频脉冲的计数个数反映被测信号之间的相位差； 鉴相式，被测信号整形成方波信号经异或门电路作鉴相处理，再经平滑滤波得到与相位差 成正比的直流分量的幅值。模拟相位检测器由模拟电路实现，需要专用的器件，硬件成本 高，一般难以达到很高的相位精度。而数字式相位检测器主要有过零检测式，相关检测式，基于快速傅立叶变化 (FFT)式。过零检测式相位检测器对于高频信号的相位测量精度很低，不能满足现代工业中 相位测量所需要的精度；传统的相关检测式相位检测器虽然精度高，但是只能测量0到180 度之间的相位差，并且测量结果易受到谐波的干扰；基于FFT的相位检测器，存在频谱泄漏 现象，在谐波环境下相位测试精度较低。
发明内容
(一)要解决的技术问题为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数字化高精度相位检 测器，具有高精度、宽量程、宽频段、操作方便、能工作于谐波环境的优点。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种数字化高精度相位检测器，包括模数转换模块10，用于对输入的第一待测信号al和第二待测信号a2进行模拟数 字转换，实现对待测信号的数字化采集，第一数字采样结果bl和第二数字采样结果b2输出 给滤波器模块20 ；滤波器模块20，用于对模数转换模块10输出的第一数字采样结果bl和第二数字 采样结果b2进行带通滤波，抑制谐波干扰，第一滤波结果cl和第二滤波结果c2输出给相 位差计算模块30和相位修正模块40 ；相位差计算模块30，用于计算滤波器模块20输出的第一滤波结果cl和第二滤波 结果c2之间的相位差，采用互相关法来进行相位差计算，相位差计算结果d输出给相位修 正模块40 ；相位修正模块40，用于判断滤波器模块20输出的第一滤波结果cl和第二滤波结果c2之间相位差符号的正负，然后对相位差计算模块30输出的相位差计算结果d进行符 号修正，得到的相位检测结果e，并将相位检测结果e输出给相位检测结果存储及显示模块 50 ；相位检测结果存 储及显示模块50，用于对相位修正模块40输出的相位检测结果e 进行数字化存储及显示。上述方案中，所述的模数转换模块10，包含第一信号调理101，用于对输入的第一待测信号al进行信号调理，使得其幅度在 第一高速AD采样103所要求的范围内；第二信号调理102，用于对输入的第二待测信号a2进行信号调理，使得其幅度在 第二高速AD采样104所要求的范围内；第一高速AD采样103，用于对第一信号调理101的输出进行数字化采集，完成模拟 数字转换，采样过程由计算机进行采样控制；第二高速AD采样104，用于对第二信号调理102的输出进行数字化采集，完成模拟 数字转换，采样过程由计算机进行采样控制，采样速率与第一高速AD采样103保持同步。上述方案中，所述的滤波器模块20，包含频率检测201，用于检测模数转换模块10输出的第一数字采样结果bl的频率，并 输出给第一带通滤波器202和第二带通滤波器203，完成对第一带通滤波器202和第二带通 滤波器203的通带设置；第一带通滤波器202，用于对第一数字采样结果bl进行带通滤波，滤波器带宽由 频率检测201输出结果进行控制；第二带通滤波器203，用于对第二数字采样结果b2进行带通滤波，滤波器带宽由 频率检测201输出结果进行控制，第二带通滤波器203的滤波器设置与第一带通滤波器202 保持相同。上述方案中，所述的相位差计算模块30包括第一互相关计算301、第一自相关计 算302、第二自相关计算303、第一开方器304、第二开方器305、乘法器306、除法器307和反 余弦计算308，其中第一互相关计算301，用于计算滤波器模块20输出的第一滤波结果Cl和第二滤波 结果c2之间的互相关值，并将计算结果输出给除法器307 ；第一自相关计算302和第二自相关计算303分别用于计算第一滤波结果cl和第 二滤波结果c2的自相关值，并将计算结果分别输出给第一开方器304和第二开方器305 ；第一开方器304，用于对第一自相关运算302的输出结果进行开方运算，并将运算 结果输出给乘法器306;第二开方器305，用于对第二自相关运算303的输出结果进行开方运算，并将运算 结果输出给乘法器306;乘法器306，用于对第一开方器304和第二开方器305的输出结果进行相乘运算， 并将运算结果输出给除法器307 ；除法器307，用于对第一互相关计算301和乘法器306的输出结果进行相除运算， 并将运算结果输出给反余弦计算308 ；反余弦计算308，用于对除法器307的输出结果进行反余弦计算。
上述方案中，所述的相位修正模块40，包含第一移位器401，用于对第一滤波结果Cl进行长度为1的移位；第二移位器402，用于对第二滤波结果c2进行长度为1的移位；第二互相关计算403，用于计算第一滤波结果Cl和第二滤波结果c2的移位值之间 的互相关值；第三互相关计算404，用于计算第二滤波结果c2和第一滤波结果Cl的移位值之间 的互相关值；减法器405，用于对第二互相关计算403和第三互相关计算404的输出结果进行相 减运算；符号判断406，通过减法器405的输出结果，用于判断第一滤波结果Cl和第二滤波 结果c2之间相位差符号的正负，如果减法器405的输出结果大于零，则第一滤波结果Cl和 第二滤波结果c2之间相位差符号为正，如果减法器405的输出结果小于零，则第一滤波结 果cl和第二滤波结果c2之间相位差符号为负；符号修正407，用于对相位差计算模块30输出的相位差计算结果d进行符号修正。(三)有益效果本发明提供的数字化高精度相位检测器，与现有相位检测器相比，具有如下优占.
^ \\\ ·1)、高精度相位精度能够达到0. 01度，而现有技术一般只能达到0. 1度。2)、宽量程能够测量从-180度到180度之间的所有相位差。3)、宽频段从 IHz 到 50kHz。4)、操作方便数字化实现，便于调整。5)、能工作于谐波环境。
图1是本发明提供的数字化高精度相位检测器的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。通过结合附图对根据本发明的最佳实施例进行详细描述，本发明的其他方面的优 点将会变得清楚和更容易理解。本发明测试相位差的基本原理如下设两被测信号如下式⑴、(2)所示x(t) = Asin 2 π ft+Nx(t) (1)
权利要求
1.一种数字化高精度相位检测器，其特征在于，包括模数转换模块(10)，用于对输入的第一待测信号al和第二待测信号a2进行模拟数字 转换，实现对待测信号的数字化采集，第一数字采样结果bl和第二数字采样结果b2输出给 滤波器模块(20)；滤波器模块(20)，用于对模数转换模块(10)输出的第一数字采样结果bl和第二数字 采样结果b2进行带通滤波，抑制谐波干扰，第一滤波结果cl和第二滤波结果c2输出给相 位差计算模块(30)和相位修正模块(40)；相位差计算模块(30)，用于计算滤波器模块(20)输出的第一滤波结果cl和第二滤波 结果c2之间的相位差，采用互相关法来进行相位差计算，相位差计算结果d输出给相位修 正模块(40)；相位修正模块(40)，用于判断滤波器模块(20)输出的第一滤波结果cl和第二滤波结 果c2之间相位差符号的正负，然后对相位差计算模块(30)输出的相位差计算结果d进行 符号修正，得到的相位检测结果e，并将相位检测结果e输出给相位检测结果存储及显示模 块(50)；相位检测结果存储及显示模块(50)，用于对相位修正模块(40)输出的相位检测结果e 进行数字化存储及显示。
2.根据权利要求1所述的数字化高精度相位检测器，其特征在于，其中所述的模数转 换模块(10)，包含:第一信号调理(101)，用于对输入的第一待测信号al进行信号调理，使得其幅度在第 一高速AD采样(103)所要求的范围内；第二信号调理(102)，用于对输入的第二待测信号a2进行信号调理，使得其幅度在第 二高速AD采样(104)所要求的范围内；第一高速AD采样(103)，用于对第一信号调理(101)的输出进行数字化采集，完成模拟 数字转换，采样过程由计算机进行采样控制；第二高速AD采样(104)，用于对第二信号调理(102)的输出进行数字化采集，完成模拟 数字转换，采样过程由计算机进行采样控制，采样速率与第一高速AD采样(103)保持同步。
3.根据权利要求1所述的数字化高精度相位检测器，其特征在于，其中所述的滤波器 模块(20)，包含:频率检测(201)，用于检测模数转换模块(10)输出的第一数字采样结果bl的频率，并 输出给第一带通滤波器(202)和第二带通滤波器(203)，完成对第一带通滤波器(202)和第 二带通滤波器(203)的通带设置；第一带通滤波器(202)，用于对第一数字采样结果bl进行带通滤波，滤波器带宽由频 率检测(201)输出结果进行控制；第二带通滤波器(203)，用于对第二数字采样结果b2进行带通滤波，滤波器带宽由频 率检测(201)输出结果进行控制，第二带通滤波器(203)的滤波器设置与第一带通滤波器 (202)保持相同。
4.根据权利要求1所述的数字化高精度相位检测器，其特征在于，其中所述的相位差 计算模块(30)包括第一互相关计算(301)、第一自相关计算(302)、第二自相关计算(303)、 第一开方器(304)、第二开方器(305)、乘法器(306)、除法器(307)和反余弦计算(308)，其中 第一互相关计算(301)，用于计算滤波器模块(20)输出的第一滤波结果cl和第二滤波 结果c2之间的互相关值，并将计算结果输出给除法器(307)；第一自相关计算(302)和第二自相关计算(303)分别用于计算第一滤波结果cl和 第二滤波结果c2的自相关值，并将计算结果分别输出给第一开方器(304)和第二开方器 (305)；第一开方器(304)，用于对第一自相关运算(302)的输出结果进行开方运算，并将运算 结果输出给乘法器(306)；第二开方器(305)，用于对第二自相关运算(303)的输出结果进行开方运算，并将运算 结果输出给乘法器(306)；乘法器(306)，用于对第一开方器(304)和第二开方器(305)的输出结果进行相乘运 算，并将运算结果输出给除法器(307)；除法器(307)，用于对第一互相关计算(301)和乘法器(306)的输出结果进行相除运 算，并将运算结果输出给反余弦计算(308)；反余弦计算(308)，用于对除法器(307)的输出结果进行反余弦计算。
5.根据权利要求1所述的数字化高精度相位检测器，其特征在于，其中所述的相位修 正模块(40)，包含:第一移位器(401)，用于对第一滤波结果cl进行长度为1的移位； 第二移位器(402)，用于对第二滤波结果c2进行长度为1的移位； 第二互相关计算(403)，用于计算第一滤波结果cl和第二滤波结果c2的移位值之间的 互相关值；第三互相关计算(404)，用于计算第二滤波结果c2和第一滤波结果cl的移位值之间的 互相关值；减法器(405)，用于对第二互相关计算(403)和第三互相关计算(404)的输出结果进行 相减运算；符号判断(406)，通过减法器(405)的输出结果，用于判断第一滤波结果cl和第二滤波 结果c2之间相位差符号的正负，如果减法器(405)的输出结果大于零，则第一滤波结果cl 和第二滤波结果c2之间相位差符号为正，如果减法器(405)的输出结果小于零，则第一滤 波结果cl和第二滤波结果c2之间相位差符号为负；符号修正(407)，用于对相位差计算模块(30)输出的相位差计算结果d进行符号修正。
全文摘要
本发明公开了一种数字化高精度相位检测器，包括模数转换模块(10)、滤波器模块(20)、相位差计算模块(30)、相位修正模块(40)和相位检测结果存储及显示模块(50)。本发明提供的数字化高精度相位检测器，具有精度高、量程宽、频段宽、操作方便等优点，能工作于谐波环境。
文档编号G01R25/00GK102043091SQ20091023638
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月21日 优先权日2009年10月21日
发明者何俊, 刘育梁, 李芳 申请人:中国科学院半导体研究所