一种相位检测装置及方法与流程

本发明涉及相位检测技术领域，更为具体来说，本发明为一种相位检测装置及方法。

背景技术：

目前，相位测量是科学研究、实验或生产实践中必不可少的重要内容，如何使相位的测量快速、精确已成为生产科研中重要的研究课题。

比如，在电力系统中常常需要对两个同频率信号(如工频电压和工频电流)之间的相位关系进行准确的测量。现有常见的相位测量方法有两种：基于异或门的测量方法和基于傅立叶变换的测量方法，但各有其优缺点，通过如下内容说明各自的局限性。

(1)基于异或门的测量方法：虽然该方法具有原理成熟、设计便捷的优点，但是该方法存在精度不高、适用场合有限等问题，

(2)基于傅立叶变换的测量方法：虽然该方法具有理论完善、精度较高的优点，但是该方法存在算法复杂、成本高等问题。

因此，如何在提高相位测量精度的基础上有效地降低相位测量方法的复杂度和研发的投入成本，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

技术实现要素：

为解决现有相位测量方法存在无法兼顾测量精度和投入成本的问题，本发明创新地提出了一种相位检测装置及方法，不仅能够达到较高的相位检测精度，而且能够有效地优化相位测量设备，从而实现在降低成本投入的基础上极大地提高相位测量精度，进而较好地解决了现有技术中存在的诸多问题。

为实现上述的技术目的，本发明公开了一种相位检测装置，该装置包括待测信号输入调理电路、相位检出电路、计数电路、微处理器、按键电路、电源电路、显示电路、标准信号源及探头，所述探头与所述待测信号输入调理电路连接，所述探头为两个，所述待测信号输入调理电路为两路，所述待测信号输入调理电路、所述相位检出电路、所述计数电路依次连接，所述计数电路、所述按键电路、所述显示电路、所述电源电路均与所述微处理器连接，所述标准信号源与所述计数电路连接。

通过上述的电路结构，本发明不仅能够有效地提高相位检测精度，还能够有效地降低相位检测装置的成本投入，从而彻底解决现有技术无法兼顾高检测精度和低成本投入的问题。

进一步地，待测信号输入调理电路包括依次连接的降压模块、整形模块、光耦隔离模块及放大模块。

进一步地，所述相位检出电路包括比较器和鉴相器，所述比较器包括两路具有相同电路结构的比较模块，两个比较模块分别与两个放大模块连接，所述比较模块通过电压比较器搭建而成；所述鉴相器通过两个施密特触发器搭建而成。

进一步地，所述计数电路包括第一计数器、第二计数器及信号控制模块，所述第一计数器通过所述信号控制模块与所述鉴相器连接，所述第二计数器与所述标准信号源连接，所述所述信号控制模块、所述第一计数器及所述第二计数器均与所述微处理器连接。

进一步地，所述电源电路通过两个稳压器搭建而成，一个稳压器的输入电压为12v、输出电压为5v，另一个稳压器的输入电压为5v、输出电压为3v。

进一步地，该装置还包括与所述微处理器连接的通信电路和按键电路，所述通信电路通过电平转换模块搭建，所述按键电路与所述微处理器连接。

进一步地，该装置还包括壳体，所述待测信号输入调理电路、所述相位检出电路、所述计数电路、所述微处理器、所述按键电路、所述电源电路、所述显示电路均设置于所述壳体内；所述壳体上设置有lcd显示屏、按键及bnc接口座，所述lcd显示屏与所述显示电路连接，所述按键为按键电路中的按键，所述bnc接口座自待测信号输入调理电路信号入口接出，所述探头通过bnc接头与所述bnc接口座插拔式连接。

进一步地，所述微处理器的型号为msp430fg461xipz，所述电压比较器的型号为lm311，所述施密特触发器的型号为74als74，所述第一计数器和所述第二计数器的型号均为74lv8154，所述电平转换模块的型号为max202e。

本发明的另一个发明目的在于提供一种利用上述相位检测装置的相位检测方法，该方法包括如下步骤，

步骤1，将计数电路与标准信号源连接，并将两个探头分别与待测点连接，为相位检测装置接入电源；

步骤2，对待测点的两路待测信号进行调理、相位检出及计数处理，得到的计数数据送入微处理器中，且标准信号源发出的标准信号进入计数电路；

步骤3，通过微处理器对所述计数数据进行处理，得到相位检测结果，通过显示电路显示。

进一步地，步骤2中，对待测点的待测信号进行调理的过程包括：对两路待测信号分别依次进行降压、整形、光耦隔离及放大处理。

本发明的有益效果为：本发明创新采用了特殊的电路结构及检测方法，通过标准信号源的引入和整体电路的设计方案，本发明能够有效提高相位检测的精度，本发明还具有结构简单、使用方便、实用性强以及寿命长等突出优点。

附图说明

图1为相位检测装置整体结构示意图。

图2为待测信号输入调理电路结构示意图。

图3为相位检出电路中的比较器结构示意图。

图4为相位检出电路中的鉴相器结构示意图。

图5为计数电路结构示意图。

图6为微处理器结构示意图。

图7为电源电路结构示意图。

图8为通信电路结构示意图。

图9为按键电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明相位检测装置及方法进行详细的解释和说明。

实施例一：

本实施例公开了一种相位检测装置，特别是一种具有用于精确测量两个正弦波相位功能的高精度相位检测装置，如图1至图9所示，上述装置包括待测信号输入调理电路、相位检出电路、计数电路、微处理器、按键电路、电源电路、显示电路、标准信号源及探头，微处理器作为整个相位检测装置的控制核心，用于协调、控制整个装置的各个功能模块的运行，以完成相位的测量和计算，探头与待测信号输入调理电路连接，且探头为两个、待测信号输入调理电路为两路，待测信号输入调理电路、相位检出电路、计数电路依次连接，计数电路、按键电路、显示电路、电源电路均与微处理器连接；显示电路为lcd显示单元(附图中未示出，根据需要进行选用)，其用于数据显示，标准信号源与计数电路连接。本实施例中，如图2至图9所示，微处理器的型号为msp430fg461xipz，其是一种高性能16位微处理器；电压比较器的型号为lm311，施密特触发器的型号为74als74，是一种低电压高速触发器；第一计数器和第二计数器的型号均为74lv8154，是一种具有三态输出寄存器的双路16位二进制计数器，电平转换模块的型号为max202e。

本实施例中，该装置还包括壳体，且待测信号输入调理电路、相位检出电路、计数电路、微处理器、按键电路、电源电路、显示电路均设置于壳体内；壳体上设置有lcd显示屏、按键及bnc接口座，lcd显示屏与显示电路连接，通过壳体将上述电路和器件封装后形成检测仪，按键为按键电路中的按键，bnc接口座自待测信号输入调理电路信号入口接出，探头通过bnc接头与bnc接口座插拔式连接；上述探头为专用于信号测量的有源探头。基于上述改进的结构设计，本发明具有结构紧凑、结构简单、成本低廉、使用方便、使用寿命长等优点，既可单独使用，也可以作为辅助设备使用，很具有实用性。

如图2所示，待测信号输入调理电路有两个，分别与两个探头连接，用于接入两路待测信号：a路待测信号和b路待测信号。各待测信号输入调理电路均包括依次连接的降压模块、整形模块、光耦隔离模块以及放大模块，各模块的连接方式及具体的电路结构如图2所示；比如，光耦隔离模块通过nec2501光耦芯片搭建而成。

如图3、图4所示，两路待测信号(被测信号)经过j22分别输出到j7和j8，相位检出电路包括比较器和鉴相器，则两路被测信号通过比较器和鉴相器后输出相位信号到计数电路中处理，比较器通过过零比较法将待测信号变成矩形波信号；比较器包括两路具有相同电路结构的比较模块(比较器整形电路)，两个比较模块分别与两个放大模块连接，比较模块通过电压比较器搭建而成；且两路被测信号通过图3中f1和f2输出至图4中的鉴相器，鉴相器通过两个施密特触发器搭建而成，为双稳态触发器鉴相器。由于施密特触发器是在单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，因为正反馈的作用，它的门限电压随着输出电压的变化而变化，从而使施密特触发器有两个门限电压，所以可以提高输入电路的抗干扰能力。为了避免待测信号和源信号在整形电路中产生附加移相或者发生相对移相，必须保证两个施密特触发器的两个门限电平对应相等，本发明通过调节电位器来实现，这样即使发生移相也能保证二者的相对移相为零，最后经过双稳态触发器，得到相位信号，其宽度即两信号过零点之间的时间差。

如图5所示，计数电路包括第一计数器、第二计数器及信号控制模块，信号控制模块包括第一信号控制模块和第二信号控制模块，且第一计数器通过第一信号控制模块与鉴相器连接，相位检出电路输出的相位信号经过第一控制模块后进入第一计数器，第二计数器通过第二控制模块与标准信号源连接，标准信号进过第二控制模块后进入第二计数器，信号控制模块、第一计数器及第二计数器均与微处理器连接，具体的连接方式和电路搭建结构如图5、图6所示，比如，通过f1和f2输出的被测信号分别进入u13a和u13b，通过f12xh输出值u15，通过f12x经过u3f和u1a送入第一计数器，其中u13a(74als08)的2管脚和u13b(74als08)的5管脚分别与微处理器的p6.5/a5/oa2o管脚和p6.6/a6/dac0/oa2i0管脚连接，所以u13a和u13b受到微处理器的控制，u15的1管脚与微处理器的p6.4/a4/oa1i0管脚连接；另外，f1和f2输出的被测信号分别进入微处理器的p2.3/tb2和p2.2/tb1中；计数数据和相位信号均送入微处理器中用于数据处理。计数电路和微处理器根据多周期同步测频原理，在门控信号控制下对标准脉冲和被测脉冲同步计数，计数数据送入微处理器，经整理计算得出被测信号的值及是否合格。

如图7所示，电源电路通过两个稳压器搭建而成，其用于为整个相位检测装置供电，一个稳压器的输入电压为12v、输出电压为5v，用于将12v供电电压转换为5v供电电压，另一个稳压器的输入电压为5v、输出电压为3v，用于将5v供电电压转换为3v供电电压。

如图8、图9所示，该装置还包括与微处理器连接的通信电路和按键电路，所述通信电路用于实现本装置的通信功能，并用于接收用户对仪表测量参数及现场参数的设置等；本实施例中，通信电路通过电平转换模块搭建，按键电路与微处理器连接。

实施例二：

与实施例一基于相同的发明构思，本实施例公开了一种利用上述相位检测装置进行相位检测的方法，该方法包括如下步骤，

步骤1，将计数电路与标准信号源连接，并将两个探头分别与待测点连接，用于实现标准信号的引入和被测信号的接入，为相位检测装置接入电源，用于为整个装置供电。

步骤2，对待测点的两路待测信号进行调理、相位检出及计数处理，得到的计数数据送入微处理器中，且标准信号源发出的标准信号进入计数电路；本实施例中，对待测点的待测信号进行调理的过程包括：对两路待测信号分别依次进行降压、整形、光耦隔离及放大处理；而通过相位检出电路中的比较器将两路被测信号整形为方波，再通过数字鉴相后得到相位信号。

步骤3，通过微处理器对计数数据进行处理，得到相位检测结果，并通过显示电路显示。

下面对本发明进行原理性说明：

本发明采用多周期测频，是在测周的基础上在信号的多个时间周期内测量信号的频率。由于被测信号控制门控信号的开启，所以称之为同步测量。由于测频和测周都会产生±1误差(计数脉冲和门控信号不同步而产生)和标准频率误差(所使用的晶振不稳定引起)，且±1误差较标准频率误差更大，多周期同步测频也就是使测量的引误差尽可能小。多周期同步测频方法在测频时，闸门时间不是固定的，而是被测信号的整数倍，即与被测信号保持同步，因此消除了对被测信号计数所产生的±1数字误差，使测量精度大为提高。

设被测信号fx和标准晶振信号f0分别作为计数器a和b的计数脉冲，同步门信号作为主门a和b的门控信号，而同步门信号由被测信号fx和微处理器内时间控制器共同控制。被测信号作为同步门的触发信号，时间控制器控制同步门的预置时间tˊ。开始测量时，稍滞后的预置时间处于被测信号的某一周期低电平或高电平处，同步门尚未开启，这时被测信号和晶振脉冲信号都不会被计数。只有当被测信号下一个周期的上升沿到达时同步门才开启(这里假定触发器为上升沿触发)，被测信号和晶振脉冲信号才开始计数。当时间控制器预置时间结束时，同步门不会立即关闭，而是等到被测信号下一个上升沿到来时才关闭，此时的计数器a和b都停止计数，实际上同步门的开启时间为t而不是tˊ。所以可以得到：

其中，t为同步门控时间；fx(tx)为被测信号频率(周期)；f0(t0)为标准晶振信号频率(周期)；m为计数器a的计数值；n为计数器b的计数值。

根据误差传递公式可以得到被测信号频率的相对误差：

其中，△f0/f0为标准晶振的频率准确度；△m/m为计数器a的计数相对误差；△n/n为计数器b的计数相对误差。

由于计数器a的计数是在与被测信号相关的同步门t进行的，被测信号又作为同步门的触发信号，且t/tx为整数，故被测信号的计数值m不存在计数误差，即△m/m＝0。所以称这种测量误差与被测信号无关的测量方法为同步测量。但由于晶振信号与门控信号不相关，门b必会产生量化误差，所以△n＝±1。而n＝t/t0＝m*tx/t0，m越大时，n就越大，△n/n就越小，所以进行多周期测量能小测量误差。由此可见，本发明的多周期同步测频法相对简单的测频测周法能明显提高测量的准确度，而且测量误差与被测信号频率无关，可以省去计算中界频率和选择测量模式。

在测量过程中，两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。首先给出闸门开启信号(预置闸门上升沿)，此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。然后预置闸门关闭信号(下降沿)到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。可以看出，实际闸门时间τ与预置闸门时间τ1并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期在一次实际闸门时间τ中，标准信号的频率为fs，标准信号的计数器计数值为ns，被测信号的频率为fx，被测信号的计数器计数值为nx；由上述的公式可知：

若忽略标准频率fs的误差，则等精度测频可能产生的相对误差为：

δ＝(|fxe-fx|/fxe)×100％

其中，fxe为被测信号频率的准确值。在测量中，由于fx计数的起停时间都是由该信号的上升测触发的，在闸门时间τ内对fx的计数nx无误差(τ＝nxtx)；对fs的计数ns最多相差一个数的误差，即|δns|≤1,其测量频率为：

fxe＝[nx/(ns+δns)]/fs

整理后，得δ＝|δns|/ns≤1/ns＝1/(τ·fs)；

由上式可以看出，测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和标准信号频率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。

标准频率越高或闸门时间越长，都能使测频的相对误差越小，测量精度越高；在保证测量精度不变的前提下，提高标准信号频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速度；本发明采用超高精度超高频率标准频率源，以保证高速高精度测量。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。