基于鉴相鉴频器和真有效值转换器的高精度相位差测量方法与电路与流程

本发明涉及电子测量技术领域的相位差测量技术，具体涉及一种基于鉴相鉴频器和真有效值转换器的高精度相位差测量方法与电路。

背景技术：

在通信、仪器仪表等领域，为了实现特定的目的，经常需要对两个同频率信号的相位差进行测量。现有的相位差测量方法很多，最基本的测量手段是采用示波器进行测量，也可以采用基于异或门的电压测量法或脉冲计数法。

现有的相位差测量方法各有不同的缺点，示波器测量法受人为读数因素的限制，测量精度较低；基于异或门的电压测量法受异或门芯片工作频率的限制，无法测量高频信号，而且测量精度也不够高；基于异或门的脉冲计数法测量精度有所提高，但对前端电路的性能要求过高，而且受异或门芯片和计数器、mcu的工作频率限制，可测频率更低。

技术实现要素：

为了克服上述技术问题的缺点，本发明提供了一种测量准确的高精度相位差测量方法与电路。

本发明的基于鉴相鉴频器和真有效值转换器的高精度相位差测量方法，其特别之处在于，包括以下步骤：a.选取一个pecl集成鉴相鉴频器，设其两个脉冲输入端分别为r、v；选取四个同型号转换型直流继电器j1(1)、j2(2)、j3(3)、j4(4)；b.将两路待测输入信号中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与直流偏置电路，输入到第一pecl比较器的一个输入端，第一pecl比较器的另一个输入端接固定电平，第一pecl比较器的输出连接到pecl集成鉴相鉴频器的输入端r；待测输入信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与直流偏置电路，输入到第二pecl比较器的一个输入端，第二pecl比较器的另一个输入端接固定电平，第二pecl比较器的输出连接到pecl集成鉴相鉴频器的输入端v；c.所述pecl集成鉴相鉴频器的输出端u接到继电器j1(1)的中间触点z1，继电器j1(1)的常闭触点b1连接到继电器j2(2)的常闭触点b2，继电器j1(1)的常开触点a1经过隔直流电容c2连接到第一真有效值转换器的输入端，第一真有效值转换器的输出端连接到继电器j2(2)的常开触点a2，继电器j2(2)的中间触点z2连接到第一a/d转换器的模拟电压输入端；d.所述pecl集成鉴相鉴频器的另一个输出端接到继电器j3(3)的中间触点z3，继电器j3(3)的常闭触点b3连接到继电器j4(4)的常闭触点b4，继电器j3(3)的常开触点a3经过隔直流电容c3连接到第二真有效值转换器的输入端，第二真有效值转换器的输出端连接到继电器j4(4)的常开触点a4，继电器j4(4)的中间触点z4连接到第二a/d转换器的模拟电压输入端；e.选取一个微控制器mcu，通过继电器控制电路控制继电器j1(1)、j2(2)、j3(3)、j4(4)的触点切换，并对第一a/d转换器和第二a/d转换器的输出数字量进行测算；f.将一个频率为1khz的已知标准正弦波信号同时加到所述输入1端子和输入2端子，mcu控制继电器j1(1)的中间触点z1与常闭触点b1连通、继电器j2(2)的中间触点z2与常闭触点b2连通、继电器j3(3)的中间触点z3与常闭触点b3连通、继电器j4(4)的中间触点z4与常闭触点b4连通，使得所述集成鉴相鉴频器u端输出的低电平电压送到第一a/d转换器的模拟电压输入端，所述集成鉴相鉴频器端输出的高电平电压送到第二a/d转换器的模拟电压输入端；mcu将第一a/d转换器输出的数字量换算成电压值，并记录此低电平电压ul；mcu将第二a/d转换器输出的数字量换算成电压值，并记录此高电平电压uh；mcu根据公式um＝uh-ul计算得到所述集成鉴相鉴频器输出鉴相脉冲的幅值um；g.将两路待测信号分别从所述输入1端子和输入2端子引入，mcu控制继电器j1(1)的中间触点z1与常闭触点b1连通、继电器j2(2)的中间触点z2与常闭触点b2连通、继电器j3(3)的中间触点z3与常闭触点b3连通、继电器j4(4)的中间触点z4与常闭触点b4连通，mcu读取第一a/d转换器输出的数字量，换算成电压值，经过3或3以上次数的读取与换算，如果每次得到的电压值都相同并与所述低电平电压ul相同；mcu再读取第二a/d转换器输出的数字量，换算成电压值，经过3或3以上次数的读取与换算，如果每次得到的电压值都相同并与所述高电平电压uh相同，则mcu判断两路待测信号相位差θ为零；h.在步骤g中，如果mcu多次读取并换算出的第一a/d转换器输出电压值都相同并与所述高电平电压uh相同，而mcu多次读取并换算出的第二a/d转换器输出电压值都相同并与所述低电平电压ul相同，则mcu判断两路待测信号相位差θ为π；i.在步骤g中，如果mcu多次读取并换算出的第一a/d转换器输出电压值是变化的，则mcu控制继电器j1(1)的中间触点z1与常开触点a1吸合、继电器j2(2)的中间触点z2与常开触点a2吸合、继电器j3(3)的中间触点z3与常闭触点b3连通、继电器j4(4)的中间触点z4与常闭触点b4连通；mcu再读取第一a/d转换器输出的数字量，并换算成电压值，此电压值即为所述集成鉴相鉴频器u端输出的相位差脉冲电压有效值u1，mcu记录此电压有效值u1，并判断所述输入1端子引入的信号相位超前所述输入2端子引入的信号相位；mcu根据下述公式计算得到两路待测信号的相位差θ：j.在步骤g中，如果mcu多次读取并换算出的第二a/d转换器输出电压值是变化的，则mcu控制继电器j1(1)的中间触点z1与常闭触点b1连通、继电器j2(2)的中间触点z2与常闭触点b2连通、继电器j3(3)的中间触点z3与常开触点a3吸合、继电器j4(4)的中间触点z4与常开触点a4吸合；mcu再读取第二a/d转换器输出的数字量，并换算成电压值，此电压值即为所述集成鉴相鉴频器端输出的相位差脉冲电压有效值u2，mcu记录此电压有效值u2，并判断所述输入1端子引入的信号相位滞后所述输入2端子引入的信号相位；mcu根据下述公式计算得到两路待测信号的相位差θ：公式中的负号表示所述输入1端子引入的信号相位滞后所述输入2端子引入的信号相位；k.mcu将计算的相位差结果输出到显示器显示。

本发明的基于鉴相鉴频器和真有效值转换器的高精度相位差测量方法，其特征在于：第一耦合与直流偏置电路和第二耦合与直流偏置电路完全相同；第一pecl比较器接固定电平的输入端和第二pecl比较器接固定电平的输入端极性应相同，都是各自比较器的同相输入端，或都是各自比较器的反相输入端；第一真有效值转换器和第二真有效值转换器完全相同；第一a/d转换器和第二a/d转换器完全相同，并采用同一个基准电压源。

两个pecl比较器的作用在于整形，待测输入信号可以是正弦波、锯齿波、三角波或矩形波等波形信号。两路波形相同的输入信号，经过2个完全相同的pecl比较器的整形，都会变成pecl电平的矩形波信号，送去pecl集成鉴相鉴频器，保证鉴相器能够准确进行相位比较。而且，两路输入信号的幅度可以相差很大。

pecl集成鉴相鉴频器的输出状态取决于两个脉冲输入端r和v的相位关系，如果r端输入脉冲超前v端输入脉冲，则pecl集成鉴相鉴频器的u端输出pecl逻辑正脉冲、端输出pecl逻辑高电平；反之，如果v端输入脉冲超前r端输入脉冲，则pecl集成鉴相鉴频器的端输出pecl逻辑正脉冲、u端输出pecl逻辑低电平。u端或端输出的pecl逻辑正脉冲即是鉴相脉冲，其脉冲宽度与两路输入信号的相位差直接成正比。

两个真有效值转换器的作用是将pecl鉴相鉴频器输出的鉴相脉冲转换成有效值电压，隔直流电容c2、c3的作用是消除pecl鉴相鉴频器输出直流电位的影响，确保真有效值转换器输出的是鉴相脉冲的电压有效值。两个a/d转换器的作用是将pecl鉴相鉴频器输出的高电平电压、低电平电压及鉴相脉冲电压有效值转换成数字量，方便mcu直接测算。

相应地，为了克服上述技术问题的缺点，本发明提供了一种测量准确的基于鉴相鉴频器和真有效值转换器的高精度相位差测量电路。

本发明的基于鉴相鉴频器和真有效值转换器的高精度相位差测量电路，包括：输入1端子、输入2端子、第一耦合与直流偏置电路、第二耦合与直流偏置电路、第一pecl比较器、第二pecl比较器、pecl集成鉴相鉴频器、第一真有效值转换器、第二真有效值转换器、第一a/d转换器、第二a/d转换器、基准电压源、微控制器mcu、显示器、继电器控制电路以及四个同型号转换型直流继电器j1(1)、j2(2)、j3(3)、j4(4)；其特征在于：两路待测输入信号中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与直流偏置电路后，输入到第一pecl比较器的一个输入端，第一pecl比较器的另一个输入端接固定电平，第一pecl比较器的输出连接到pecl集成鉴相鉴频器的输入端r；待测输入信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与直流偏置电路后，输入到第二pecl比较器的一个输入端，第二pecl比较器的另一个输入端接固定电平，第二pecl比较器的输出连接到pecl集成鉴相鉴频器的输入端v；所述集成鉴相鉴频器的输出端u接到继电器j1(1)的中间触点z1，继电器j1(1)的常闭触点b1连接到继电器j2(2)的常闭触点b2，继电器j1(1)的常开触点a1经过隔直流电容c2连接到第一真有效值转换器的输入端，第一真有效值转换器的输出端连接到继电器j2(2)的常开触点a2，继电器j2(2)的中间触点z2连接到第一a/d转换器的模拟电压输入端；所述集成鉴相鉴频器的另一个输出端接到继电器j3(3)的中间触点z3，继电器j3(3)的常闭触点b3连接到继电器j4(4)的常闭触点b4，继电器j3(3)的常开触点a3经过隔直流电容c3连接到第二真有效值转换器的输入端，第二真有效值转换器的输出端连接到继电器j4(4)的常开触点a4，继电器j4(4)的中间触点z4连接到第二a/d转换器的模拟电压输入端；微控制器mcu通过继电器控制电路控制继电器j1(1)、j2(2)、j3(3)、j4(4)的触点切换，并对第一a/d转换器和第二a/d转换器的输出数字量进行测算，将测算的相位差结果送到显示器显示。

本发明的高精度相位差测量电路，其特征在于：第一耦合与直流偏置电路和第二耦合与直流偏置电路完全相同；第一pecl比较器接固定电平的输入端和第二pecl比较器接固定电平的输入端极性应相同，都是各自比较器的同相输入端，或都是各自比较器的反相输入端；第一真有效值转换器和第二真有效值转换器完全相同；第一a/d转换器和第二a/d转换器完全相同，并采用同一个基准电压源。

设置直流偏置电路的作用在于，pecl比较器允许的最大输入电压值为vmax，将两个pecl比较器的同相输入端、反相输入端的直流工作点都设置为能使可测信号的动态范围最大。两个耦合与直流偏置电路的结构与参数完全相同，两个pecl比较器接固定电平的输入端电平数值也相同，这样保证两个pecl比较器输出端的脉冲信号能准确反映两路待测输入信号的相位关系。pecl比较器输出的是pecl逻辑电平信号，可以直接与pecl鉴相鉴频器输入端相连。

本发明的有益效果是：提出一种新的相位差测量方法，通过pecl比较器整形，利用pecl集成鉴相鉴频器的鉴相作用得到两路输入信号的相位差脉冲，在真有效值转换器和a/d转换器的转换下，由mcu控制，通过对脉冲电压幅值和有效值的测算，完成对正弦波、锯齿波、三角波、矩形波等两路同频率、同波形信号之间的相位差测量，而且测量精度高，可测信号频率较高、动态范围很大。

附图说明

图1为本发明的原理框图；图2为本发明的部分电路图，含第一耦合与直流偏置电路(5)、第二耦合与直流偏置电路(6)、第一pecl比较器(7)、第二pecl比较器(8)和pecl集成鉴相鉴频器mc12040；图3为本发明的真有效值转换器电路；图4为本发明的a/d转换器及基准电压源电路；图5本发明的鉴相鉴频器工作波形图。

图1中：1继电器j1，2继电器j2，3继电器j3，4继电器j4。

图2中：5第一耦合与直流偏置电路，6第二耦合与直流偏置电路，7第一pecl比较器，8第二pecl比较器。

图3中：9第一真有效值转换器，10第二真有效值转换器。

图4中：11第一a/d转换器，12第二a/d转换器。

具体实施方式

结合附图，本发明的高精度相位差测量方法，按照以下步骤进行：

a.选取一个pecl集成鉴相鉴频器mc12040，其两个脉冲输入端分别为r、v；选取四个srd-05vdc-sl-c型直流继电器j1(1)、j2(2)、j3(3)、j4(4)。

b.将两路待测输入信号中的一路从输入1端子引入，经过第一耦合与直流偏置电路(5)后，输入到第一pecl比较器(7)adcmp553的同相输入端，第一pecl比较器(7)的反相输入端接固定电平，第一比较器的输出端连接到鉴相鉴频器mc12040的输入端r。待测输入信号中的另一路从输入2端子引入，经过第二耦合与直流偏置电路(6)后，输入到第二pecl比较器(8)adcmp553的同相输入端，该比较器的反相输入端接固定电平，该比较器的输出端连接到mc12040的输入端v。

c.pecl集成鉴相鉴频器mc12040的输出端u接到继电器j1(1)的中间触点z1，继电器j1(1)的常闭触点b1连接到继电器j2(2)的常闭触点b2，继电器j1(1)的常开触点a1经过隔直流电容c2连接到第一真有效值转换器(9)的输入端2脚，第一真有效值转换器(9)的输出端5脚连接到继电器j2(2)的常开触点a2，继电器j2(2)的中间触点z2连接到第一a/d转换器(11)的模拟电压输入端1脚。

d.集成鉴相鉴频器mc12040的另一个输出端接到继电器j3(3)的中间触点z3，继电器j3(3)的常闭触点b3连接到继电器j4(4)的常闭触点b4，继电器j3(3)的常开触点a3经过隔直流电容c3连接到第二真有效值转换器(10)的输入端2脚，第二真有效值转换器(10)的输出端5脚连接到继电器j4(4)的常开触点a4，继电器j4(4)的中间触点z4连接到第二a/d转换器(12)的模拟电压输入端1脚。

e.选取一个微控制器mcu，通过继电器控制电路控制继电器j1(1)、j2(2)、j3(3)、j4(4)的触点切换，并分别对第一a/d转换器(11)和第二a/d转换器(12)输出的8位数字量进行测算。

f.将一个频率为1khz的已知标准正弦波信号同时加到输入1端子和输入2端子，mcu控制继电器j1(1)的中间触点z1与常闭触点b1连通、继电器j2(2)的中间触点z2与常闭触点b2连通、继电器j3(3)的中间触点z3与常闭触点b3连通、继电器j4(4)的中间触点z4与常闭触点b4连通，集成鉴相鉴频器mc12040的u端输出低电平电压送到第一a/d转换器(11)，mc12040的端输出高电平电压送到第二a/d转换器(12)；mcu将此时第一a/d转换器(11)输出的数字量换算成电压值，并记录此低电平电压ul。mcu将第二a/d转换器(12)输出的数字量换算成电压值，并记录此高电平电压uh。mcu根据公式(1)计算得到集成鉴相鉴频器mc12040输出高、低电平之间的差值。

um＝uh-ul(1)

公式(1)中的um值即是集成鉴相鉴频器mc12040输出鉴相脉冲的幅值。

g.将两路待测信号分别从输入1端子和输入2端子引入，mcu控制继电器j1(1)的中间触点z1与常闭触点b1吸合、继电器j2(2)的中间触点z2与常闭触点b2连通、继电器j3(3)的中间触点z3与常闭触点b3连通、继电器j4(4)的中间触点z4与常闭触点b4连通，mcu首先读取第一a/d转换器(11)输出的数字量，换算成电压值，经过3或3以上次数的读取与换算，如果每次得到的电压值都相同并与步骤f中测得的低电平电压ul相同；mcu再读取第二a/d转换器(12)输出的数字量，换算成电压值，经过3或3以上次数的读取与换算，如果每次得到的电压值都相同并与步骤f中测得的高电平电压uh相同，则mcu据此判断两路待测信号相位差θ为零。

h.在步骤g中，如果mcu多次读取并换算出的第一a/d转换器(11)输出电压值都相同并与步骤f中测得的高电平电压uh相同，而mcu多次读取并换算出的第二a/d转换器(12)输出电压值都相同并与步骤f中测得的低电平电压ul相同，则mcu判断两路待测信号相位差θ为π。

i.在步骤g中，如果mcu多次读取并换算出的第一a/d转换器(11)输出电压值是变化的，则mcu控制继电器j1(1)的中间触点z1与常开触点a1吸合、继电器j2(2)的中间触点z2与常开触点a2吸合、继电器j3(3)的中间触点z3与常闭触点b3连通、继电器j4(4)的中间触点z4与常闭触点b4连通。mcu读取第一a/d转换器(11)输出的数字量，并换算成电压值，此电压值即为集成鉴相鉴频器mc12040的u端输出相位差脉冲电压有效值u1，mcu记录此电压有效值u1，并判断mc12040的r端输入脉冲相位超前v端输入脉冲相位，即输入1端子引入的信号相位超前输入2端子引入的信号相位。mcu根据公式(2)计算得到此时两路待测信号的相位差θ。

j.在步骤g中，如果mcu多次读取并换算出的第二a/d转换器(12)输出电压值是变化的，则mcu控制继电器j1(1)的中间触点z1与常闭触点b1吸合、继电器j2(2)的中间触点z2与常闭触点b2吸合、继电器j3(3)的中间触点z3与常开触点a3吸合、继电器j4(4)的中间触点z4与常开触点a4吸合；mcu读取第二a/d转换器(12)输出的数字量，并换算成电压值，此电压值即为集成鉴相鉴频器mc12040的端输出相位差脉冲电压有效值u2，mcu记录此电压有效值u2，并据此判断mc12040的r端输入脉冲相位滞后v端输入脉冲相位，即输入1端子引入的信号相位滞后输入2端子引入的信号相位。mcu根据公式(3)计算得到两路待测信号的相位差θ。

公式(3)中，负号表示输入1端子引入的信号相位滞后输入2端子引入的信号相位。

k.mcu将计算的相位差结果输出到显示器显示，完成相位差测量过程。

本实施例中，电容c2、c3的引入是为了隔开集成鉴相鉴频器mc12040输出的直流电位，确保真有效值转换器准确输出mc12040鉴相脉冲的电压有效值。

如附图所示，给出了本发明的高精度相位差测量电路，其包括：输入1端子、输入2端子、第一耦合与直流偏置电路(5)、第二耦合与直流偏置电路(6)、第一pecl比较器(7)、第二pecl比较器(8)、pecl集成鉴相鉴频器、第一真有效值转换器(9)、第二真有效值转换器(10)、第一a/d转换器(11)、第二a/d转换器(12)、基准电压源max6107、微控制器mcu、显示器以及四个同型号转换型直流继电器j1(1)、j2(2)、j3(3)、j4(4)，必要的+5v工作电源、+3v工作电源。继电器控制电路可采用通用电路，故实例中没有给出。

如附图2所示，pecl比较器采用adcmp553构成，两个比较器电路结构和参数完全相同。

待测输入信号1经过第一耦合与直流偏置电路(5)，输入到第一pecl比较器(7)的同相输入端，第一pecl比较器(7)的反相输入端接固定电平。待测输入信号2经过第二耦合与直流偏置电路(6)，输入到第二pecl比较器(8)的同相输入端，第二pecl比较器(8)的反相输入端也接固定电平。两路待测输入信号分别经过pecl比较器整形后，从各自pecl比较器的输出端6脚形成矩形脉冲信号，分别输入到pecl集成鉴相鉴频器mc12040的两个输入端r、v。

集成鉴相鉴频器mc12040实际有四个输出端子u、d、根据需要只使用u、两个输出端。mc12040对r、v两个输入脉冲的前沿进行比相，从mc12040的u端和端输出鉴相脉冲或固定电平信号，该鉴相脉冲能准确反映两个待测输入信号之间的相位关系，其工作波形如附图5所示。如果mc12040输入端r的脉冲相位超前输入端v的脉冲相位，则u端输出pecl逻辑正向脉冲，端输出pecl逻辑高电平；如果mc12040输入端r的脉冲相位滞后输入端v的脉冲相位，则u端输出pecl逻辑低电平，端输出pecl逻辑正向脉冲；当mc12040输入端r的脉冲与输入端v的脉冲相位相同时，其输出u端为pecl逻辑低电平，端为pecl逻辑高电平；当mc12040输入端r的脉冲与输入端v的脉冲相位相反时，其输出u端为pecl逻辑高电平，端为pecl逻辑低电平。

如附图3所示，第一真有效值转换器(9)和第二真有效值转换器(10)均采用ltc1968及其外围电容构成，两个电路结构及参数完全相同，分别将集成鉴相鉴频器mc12040的u端和端输出的鉴相脉冲信号转换成有效值电压输出。

如附图4所示，第一a/d转换器(11)、第二a/d转换器(12)采用两个完全相同的八位a/d转换器mx7820构成，两个a/d转换器采用同一个基准电压源max6107，max6107输出的基准电压是+4.5v，与pecl电平的电压幅值较为接近，确保a/d转换的精度足够高。

mcu通过并行接口分别读取两个a/d转换器输出的数字电压值，并经过公式(1)、(2)、(3)计算得到被测信号的相位差弧度值，再综合被测信号相位差为零和π的两种特殊情况，将测算的相位差结果送去显示器直观显示出来。