一种相位差检测电路及方法与流程

1.本发明涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种相位差检测电路及方法。


背景技术：

2.随着电力技术的发展，信号相位差检测广泛应用于各个领域，例如电力、通讯等领域。信号相位差包括相位差的大小以及相位的超前或滞后关系。目前，信号相位差主要通过软件算法计算或硬件检测来实现对信号相位差的检测，但是通过软件算法计算获取信号相位差的方式，时间延时较大，不能满足对实时性要求较高的应用场景；一般的硬件检测芯片能够测量出两路信号相位差的大小，其范围是0
°
～180
°
，但是不能实现全范围(0
°
～360
°
或-180
°
～180
°
)的相位检测功能。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种相位差检测电路及方法，以解决现有技术中信号相位差检测的滞后性以及未能全范围检测相位差的问题。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种相位差检测电路，包括：
5.信号转换模块，接收第一信号并将所述第一信号转换为第三信号，接收第二信号并将所述第二信号转换为第四信号；
6.第一相位检测模块，接所述信号转换模块，对所述第三信号和所述第四信号进行相位差检测，输出所述第三信号和所述第四信号的相位差绝对值；
7.第二相位检测模块，接所述信号转换模块，对所述第三信号和所述第四信号进行相位差关系检测，输出所述第三信号和所述第四信号的相位差关系，所述相位差关系包括超前或滞后；
8.处理器，接所述第一相位检测模块和所述第二相位检测模块，根据所述相位差绝对值和所述相位差关系输出所述目标相位差。
9.可选的，所述相位差检测电路还包括：滤波模块，接收第一输入信号并对所述第一输入信号进行滤波处理，得到并输出所述第一信号；
10.接收第二输入信号并对所述第二输入信号进行滤波处理，得到并输出所述第二信号。
11.可选的，所述滤波模块包括：第一滤波单元，包括第一电阻、第一电容和第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端经串联的所述第一电阻后接所述第一输入信号，所述第一运算放大器的同相输入端经还接所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端接地，所述第一运算放大器的反相输入端接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端输出所述第一信号；
12.第二滤波单元，包括第二电阻、第二电容和第二运算放大器，所述第二运算放大器的同相输入端经串联的所述第二电阻后接所述第二输入信号，所述第二运算放大器的同相输入端经还接所述第二电容的一端，所述第二电容的另一端接地，所述第二运算放大器的
反相输入端接所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端输出所述第二信号。
13.可选的，所述第一电阻包括可调电阻，所述第二电阻包括可调电阻，所述第一电容包括可调电容，所述第二电容包括可调电容。
14.可选的，所述信号转换模块包括：第一信号转换单元，包括第三电阻、第四电阻和第一比较器，所述第一比较器的同相输入端经串联的所述第三电阻后接所述第一信号，所述第一比较器的反相输入端经串联的所述第四电阻后接地，所述第一比较器的输出端输出所述第三信号；
15.第二信号转换单元，包括第五电阻、第六电阻和第二比较器，所述第二比较器的同相输入端经串联的所述第五电阻后接所述第二信号，所述第二比较器的反相输入端经串联的所述第六电阻后接地，所述第二比较器的输出端输出所述第四信号。
16.可选的，所述第一相位检测模块包括：第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第三运算放大器和鉴相器芯片ad8302；
17.所述鉴相器芯片ad8302的第一输入端接地，所述鉴相器芯片ad8302的第二输入端通过依次串联的所述第三电容、所述第七电阻与所述第三信号连接，所述第八电阻的一端接地，所述第八电阻的另一端与第一节点连接，所述第一节点分别与所述第七电阻的输出端、所述第三电容的输入端连接，第九电阻的一端接地，所述第九电阻的另一端与第二节点连接，所述鉴相器芯片ad8302的第三输入端通过串联的所述第四电容接地，所述鉴相器芯片ad8302的第四输入端接电压，所述鉴相器芯片ad8302的第五输入端通过串联的所述第五电容接地，所述鉴相器芯片ad8302的第六输入端通过依次串联的所述第六电容、所述第十电阻与所述第四信号连接，所述第二节点分别与所述第十电阻的输出端、所述第六电容的输入端连接，所述鉴相器芯片ad8302的第七输入端接地，所述鉴相器芯片ad8302的第一输出端通过串联的第八电容接地，所述鉴相器芯片ad8302的第二输出端、所述鉴相器芯片ad8302的第三输出端分别通过串联的所述第十一电阻与所述第三运算放大器的同相输入端连接，所述鉴相器芯片ad8302的第五输出端和所述鉴相器芯片ad8302的第六输出端连接，所述鉴相器芯片ad8302的第七输出端通过串联的第七电容接地，所述第九电容的一端与第三节点连接，所述第三节点与所述第十一电阻的输出端、所述第三运算放大器的同相输入端连接，所述第三运算放大器的反相输入端与所述第三运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器输出所述相位差绝对值。
18.可选的，所述第二相位检测模块包括：第十二电阻、第十三电阻和d触发器，所述d触发器的数据输入端分别与所述第三信号、所述第十二电阻的一端连接，所述第十二电阻的另一端接电源端，所述d触发器的时钟信号输入端分别与所述第四信号、所述第十三电阻的一端连接，所述第十三电阻的另一端接电源端，所述d触发器的置位端和所述d触发器的清零端均与电源端连接，所述d触发器输出所述第三信号与所述第四信号的相位差关系。
19.为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供了一种相位差检测方法，包括：
20.获取第一信号和第二信号，将所述第一信号转换为第三信号，将所述第二信号转换为第四信号；
21.对所述第三信号和所述第四信号进行相位差检测，输出所述第三信号和所述第四
信号的相位差绝对值；
22.对所述第三信号和所述第四信号进行相位差关系检测，输出所述第三信号和所述第四信号的相位差关系，所述相位差关系包括超前或滞后；
23.根据所述相位差绝对值和所述相位差关系输出所述目标相位差。
24.可选的，所述对所述第三信号和所述第四信号进行相位差检测，输出所述第三信号与所述第四信号的相位差关系包括：
25.将所述第三信号输入到d触发器的数据输入端，并将所述第四信号输入到所述d触发器的时钟信号输入端；
26.获取所述时钟信号输入端的第一信号状态和所述数据输入端的第二信号状态，并根据所述第一信号状态和所述第二信号状态确定所述相位差关系。
27.可选的，所述根据所述相位差绝对值和所述相位差关系输出所述目标相位差包括：
28.若所述相位差关系为所述第四信号超前于所述第三信号，则所述第三信号与所述第四信号的目标相位差为所述相位差绝对值；
29.若所述相位差关系为所述第四信号滞后于所述第三信号，则所述第三信号与所述第四信号的目标相位差为所述相位差绝对值的相反数。
30.本发明的有益效果：本发明中的相位差检测电路通过将多个电路模块硬件相结合，可以对双输入信号的相位差进行检测，同时可以将其检测范围拓宽为-180
°‑
180
°
(或0-360
°
)的宽范围之间，且有快速低延时的特点，便于电路应用过程中进行检测与控制。
附图说明
31.图1显示为本发明中电器连接关系图；
32.图2显示为本发明中第一滤波单元的结构示意图；
33.图3显示为本发明中第一信号转换单元的结构示意图；
34.图4显示为本发明中第一相位检测模块的结构示意图；
35.图5显示为本发明中第二相位检测模块的结构示意图。
具体实施方式
36.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调，
在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
38.为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
39.本发明提供了一种相位差检测电路，包括信号转换模块，接收第一信号并将第一信号转换为第三信号，接收第二信号并将第二信号转换为第四信号；第一相位检测模块，接信号转换模块，对第三信号和第四信号进行相位差检测，输出第三信号和第四信号的相位差绝对值；第二相位检测模块，接信号转换模块，对第三信号和第四信号进行相位差关系检测，输出第三信号和第四信号的相位差关系，相位差关系包括超前或滞后；处理器，接第一相位检测模块和第二相位检测模块，根据相位差绝对值和相位差关系输出目标相位差。
40.在一个具体的实施例中相位差检测电路还包括滤波模块，接收第一输入信号并对第一输入信号进行滤波处理，得到并输出第一信号，接第二输入信号并对第二输入信号进行滤波处理，得到并输出第二信号。
41.请参阅图1和图2，滤波模块包括第一滤波单元和第二滤波单元，第一滤波单元，包括第一电阻r1、第一电容c1和第一运算放大器u1，第一运算放大器u1的同相输入端经串联的第一电阻r1后接第一输入信号s1，第一运算放大器u1的同相输入端经还接第一电容c1的一端，第一电容c1的另一端接地gnd，第一运算放大器u1的反相输入端接第一运算放大器u1的输出端，第一运算放大器u1的输出端输出第一信号s3。第二滤波单元，包括第二电阻r2、第二电容c2和第二运算放大器u2，第二运算放大器u2的同相输入端经串联的第二电阻r2后接第二输入信号s2，第二运算放大器u2的同相输入端经还接第二电容c2的一端，第二电容c2的另一端接地gnd，第二运算放大器u2的反相输入端接第二运算放大器u2的输出端，第二运算放大器u2的输出端输出第二信号s4。第一运算放大器u1和第二运算放大器u2分别与供电电源的两端(vcc、vss)连接。其中，第一电阻包括可调电阻，第二电阻包括可调电阻，第一电容包括可调电容，第二电容包括可调电容，接入第一滤波单元的第一电阻的电阻值和接入第二滤波单元的第二电阻的电阻值相同，且接入第一滤波单元的第一电容的电容值和接入第二滤波单元的第二电容的电容值相同。通过确保接入第一滤波单元的电阻值和接入第二滤波单元的电阻值相同，接入第一滤波单元的电容值和第二滤波单元的电容值相同，从而使得第一输入信号和第二输入信号在滤波过程中，相位延时等参数一致。第一滤波单元和第二滤波单元的截止频率为：
42.其中，f为第一滤波单元和第二滤波单元的截止频率，r为接入第一滤波单元的电阻值(r也为接入第二滤波单元的电阻值)，c为接入第一滤波单元的电容值(c也为接入第二滤波单元的电容值)。通过在相位检测电路中，设置第一滤波单元和第二滤波单元，从而去除了干扰信号和杂散信号，进而提高了检测结果的准确性。在将第一输入信号和第二输入信号输入滤波模块之前，可以对第一输入信号和第二输入信号进行初步的频率检测，并获取频率检测结果，根据频率检测结果调整，接入滤波模块的电阻值和电容值，进而使得第一输入信号和第二输入信号能够通过滤波模块。对第一输入信号和第二输入信号进行频率检测的方法可以采用现有的频率检测方法。
43.请参阅图1和图3，信号转换模块包括第一信号转换单元和第二信号转换单元。第一信号转换单元，包括第三电阻r3、第四电阻r4和第一比较器u3，第一比较器u3的同相输入端经串联的第三电阻r3后接第一信号s3，第一比较器u3的反相输入端经串联的第四电阻r4后接地gnd，第一比较器u3的输出端输出第三信号s5。第二信号转换单元，包括第五电阻r5、第六电阻r6和第二比较器u4，第二比较器u5的同相输入端经串联的第五电阻r5后接第二信号s4，第二比较器u4的反相输入端经串联的第六电阻r6后接地gnd，第二比较器u4的输出端输出第四信号s6。第一比较器u3和第二比较器u4分别与供电电源的两端(vcc、vss)连接。通过将第一信号和第二信号输入信号转换模块后，使得输出的第三信号和第四信号的电压值为固定的电压值，例如
±
3v等。
44.请参阅图1和图4，第一相位检测模块包括：第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6、第七电容c7、第八电容c8、第九电容c9、鉴相器芯片ad8302(u5)和第三运算放大器u6。鉴相器芯片ad8302的第一输入端comm(1)接地gnd，鉴相器芯片ad8302的第二输入端inpa(2)通过依次串联的第三电容c3、第七电阻r7与第三信号连接，第八电阻r8的一端接地gnd，第八电阻r8的另一端与第一节点a连接，第一节点a分别与第七电阻r7的输出端、第三电容c3的输入端连接，第九电阻r9的一端接地gnd，第九电阻r9的另一端与第二节点b连接，鉴相器芯片ad8302的第三输入端ofsa(3)通过串联的第四电容c4接地gnd，鉴相器芯片ad8302的第四输入端vpos(4)接电压，鉴相器芯片ad8302的第五输入端ofsb(5)通过串联的第五电容c5接地gnd，鉴相器芯片ad8302的第六输入端inpb(6)通过依次串联的第六电容c6、第十电阻r10与第四信号连接，第二节点b分别与第十电阻r10的输出端、第六电容c6的输入端连接，鉴相器芯片ad8302的第七输入端(6)接地gnd，鉴相器芯片ad8302的第一输出端pflt(8)通过串联的第八电容c8接地gnd，鉴相器芯片ad8302的第二输出端vphs(9)、鉴相器芯片ad8302的第三输出端pset(10)分别通过串联的第十一电阻r11与第三运算放大器u6的同相输入端连接，鉴相器芯片ad8302的第五输出端mset(12)和鉴相器芯片ad8302的第六输出端vmag(13)连接，鉴相器芯片ad8302的第七输出端mflt(14)通过串联的第七电容c7接地gnd，第九电容c9的一端与第二节点c连接，第二节点c与第十一电阻r11的输出端、第三运算放大器u6的同相输入端连接，第三运算放大器u6的反相输入端与第三运算放大器u6的输出端连接，第三运算放大器u6输出相位差绝对值。第三运算放大器u6与供电电源的两端(vcc、vss)连接。其中，鉴相器芯片ad8302的第四输入端vpos(4)所接电压的电压值为5v。
45.在一实施例中，利用鉴相器芯片ad8302对第三信号和第四信号的相位差进行检测，同时第一相位检测模块输出0-1800mv，对应输入信号0
°‑
180
°
的相位差，且成线性比例关系，因此第三信号和第四信号的相位差绝对值可以通过第一相位检测模块的输出电压来获取，第三信号和第四信号的相位差绝对值的数学表达为：
46.其中，v
out
为第一相位检测模块的输出电压，单位为mv，为相位差绝对值。第三信号与第四信号的相位差绝对值和第一信号与第二信号的相位差绝对值相同，第一信号与第二信号的相位差绝对值和第一输入信号与第二输入信号的绝对值相位差相同。
47.请参阅图1和图5，第二相位检测模块包括：第十二电阻r12、第十三电阻r13和d触发器u7，d触发器u7的数据输入端(d端)分别与第三信号s5、第十二电阻r12的一端连接，第
十二电阻r12的另一端接电源端vcc，d触发器u7的时钟信号输入端(cp端)分别与第四信号s6、第十三电阻r13的一端连接，第十三电阻r13的另一端电源端vcc，d触发器u7的预置端(sd端)和d触发器u7的清零端(rd端)均与电源端vcc连接，d触发器u7输出第三信号与第四信号的相位差关系。通过信号转换模块对第一信号和第二信号进行信号转换后，使得输出的第三信号和第四信号的电压值为固定值，从而使得第二相位检测模块能够识别第三信号和第四信号，进而得到第三信号与第四信号的相位差关系。具体地，利用d触发器的时序原理，将第三信号输入到d触发器的d端，第四信号输入到d触发器的cp端，同时利用cp端的上升沿进行数据的锁存，根据表一的真值表可知，cp端为上升沿的同时，当d端为低电平(0)时，即当第四信号超前于第三信号时，q输出为低(0)；当d端为高电平(1)时，即当第四信号滞后于第三信号时，q输出为高(1)；由此可以得到第三信号与第四信号之间的相位差关系(超前或滞后)。第一输入信号与第二输入信号的相位差关系为第一相位差关系，第一信号与第二信号的相位差关系为第二相位差关系，第三信号与第四信号的相位差关系为第三相位差关系，第一相位差关系、第二相位差关系均与第三相位差关系相同。也可以利用cp端的下降沿进行数据的锁存，从而得到第三信号与第四信号的相位差关系，进而得到第一相位差关系以及第二相位差关系。
48.表一，d触发器的真值表
[0049][0050]
表一中，h为高电平，l为低电平。
[0051]
处理器，接第一相位检测模块和第二相位检测模块，根据相位差绝对值和相位差关系输出目标相位差。若目标相位差的相位差范围为-180
°‑
180
°
，则根据相位差绝对值和相位差关系输出目标相位差包括：若相位差关系为第四信号超前于第三信号，则第三信号与第四信号的目标相位差为相位差绝对值；若相位差关系为第四信号滞后于第三信号，则第三信号与第四信号的目标相位差为相位差绝对值的相反数；从而实现了将信号的相位差检测范围拓展到-180
°‑
180
°
。若目标相位差的相位差范围为0
°‑
360
°
，则根据相位差绝对值和相位差关系输出目标相位差包括：若相位差关系为第四信号超前于第三信号，则第三信号与第四信号的目标相位差为相位差绝对值；若相位差关系为第四信号滞后于第三信号，则第三信号与第四信号的目标相位差为相位差绝对值加上360；从而实现了将信号的相位差检测范围拓展到0
°‑
360
°
。目标相位差可以是第一信号与第二信号的相位差，目标相位差还可以是第一输入信号与第二输入信号的相位差。
[0052]
处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processing，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field－programmable gate array，简称fpga)或
者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0053]
由此可见，上述相位差检测电路通过将多个电路模块硬件相结合，可以对双输入信号的相位差进行检测，同时可以将其检测范围拓宽为-180
°‑
180
°
(或0-360
°
)的宽范围之间，且有快速低延时的特点，便于电路应用过程中进行检测与控制。
[0054]
本发明还提供一种电子设备，电子设备包括上述相位差检测电路。
[0055]
基于与上述相位差检测电路相同的发明构思，相应的，本实施例还提供了一种相位差检测方法。在本实施例中，该方法在上述任一实施例所述的相位差检测电路上实现，具体功能和技术效果参照上述实施例即可，此处不再赘述。
[0056]
在一实施例中，相位差检测方法包括：获取第一信号和第二信号，将第一信号转换为第三信号，将第二信号转换为第四信号；对第三信号和第四信号进行相位差检测，输出第三信号和所述第四信号的相位差绝对值；对第三信号和第四信号进行相位差关系检测，输出第三信号和所述第四信号的相位差关系，相位差关系包括超前或滞后；根据相位差绝对值和所述相位差关系输出目标相位差。
[0057]
在一实施例中，对第三信号和第四信号进行相位差检测，输出第三信号与第四信号的相位差关系包括：将第三信号输入到d触发器的数据输入端，并将第四信号输入到d触发器的时钟信号输入端；获取时钟信号输入端的第一信号状态和数据输入端的第二信号状态，并根据第一信号状态和第二信号状态确定相位差关系。第一信号状态包括时钟信号输入端的上升沿或时钟信号输入端的下降沿，第二信号状态包括数据输入端的高电平或低电平；根据cp端的上升沿和数据输入端的第二信号状态获取相位差关系的方法可以参照第二相位检测模块，在此不再赘述。
[0058]
在一实施例中，若目标相位差的相位差范围为-180
°‑
180
°
，则根据相位差绝对值和相位差关系输出所述目标相位差包括：若相位差关系为第四信号超前于第三信号，则第三信号与第四信号的目标相位差为相位差绝对值；若相位差关系为第四信号滞后于第三信号，则第三信号与第四信号的目标相位差为相位差绝对值的相反数。若目标相位差的相位差范围为0
°‑
360
°
，则根据相位差绝对值和相位差关系输出目标相位差包括：若相位差关系为第四信号滞后于第三信号，则第三信号与第四信号的目标相位差为相位差绝对值加上360。目标相位差可以是第一信号与第二信号的相位差，目标相位差还可以是第一输入信号与第二输入信号的相位差。
[0059]
综上所述，本发明的相位检测电路通过将多个电路模块硬件相结合，可以对双输入信号的相位差进行检测，同时可以将其检测范围拓宽为-180
°‑
180
°
(或0-360
°
)的宽范围之间，且有快速低延时的特点，便于电路应用过程中进行检测与控制。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0060]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。