动态环境下解调开关信号自动相位对齐系统及对齐方法

本发明涉及电容传感，尤其涉及一种动态环境下解调开关信号自动相位对齐系统及对齐方法。

背景技术：

1、电容传感在航天领域中具有越来越多的应用，比如惯性传感器、加速度计和敏感结构测量系统等，从噪声中分离出测试质量的位置信息，需通过适当的解调信号锁定信号频率，将其他信号(噪声信号)的频率平均为零，提取有效信号，提高信噪比。其中的一个关键技术难点为位置信号与解调信号的相位对齐锁定的问题，当相位对齐，能在最大程度上去除噪声，提高信噪比。但当前相位自动对齐方法多数为静态环境条件下相位对齐方法，例如专利cn202211169409.7提出的相位自动对齐的方法：在静态环境下对被测物体的位置信号与解调信号进行相位对齐。

2、而在敏感结构测量系统中，由于悬挂在悬挂结构上的测试质量的位置并不固定，处于动态变化的状态，导致电容传感读取的位置信号也在动态变化，以往采用的相位自动对齐的方法在这种状态下并不适用。

技术实现思路

1、本发明为解决现有的相位自动对齐的方法无法为处于动态变化的测试质量的位置信号与解调信号进行相位对齐问题，提供一种动态环境下解调开关信号自动相位对齐系统及对齐方法，能够对处于动态变化的测试质量的位置信号与解调信号进行相位对齐。

2、本发明提出的动态环境下解调开关信号自动相位对齐系统，包括前端模拟电路、相敏解调电路和模数转换传感器，前端模拟电路的输入端与被测对象的输出端相连，前端模拟电路的输出端与相敏解调电路的输入端相连，相敏解调电路的输出端与模数转换传感器的输入端相连，还包括fpga数字电路，fpga数字电路包括逻辑电路、低通滤波器、cordic模块、解调开关信号相位调整模块和检测模块，模数转换传感器的输出端与fpga数字电路的输入端相连，fpga数字电路的输出端分别作用于相敏解调电路与被测对象；

3、逻辑电路用于向被测对象施加激励，前端模拟电路用于采集并放大被测对象输出的位置信号，相敏解调电路用于对位置信号进行解调并输出解调信号，模数转换传感器用于采集解调信号，低通滤波器用于对解调信号进行滤波，逻辑电路用于利用滤波后的解调信号生成正相解调信号与反相解调信号，cordic模块用于对正相解调信号与反相解调信号进行反正切运算得到相角，解调开关信号相位调整模块用于根据相角移动解调开关信号的相位，使解调开关信号与位置信号进行相位对齐，检测模块用于判断解调开关信号与位置信号的相位是否对齐并输出解调开关信号，逻辑电路将解调开关信号施加于相敏解调电路，相敏解调电路根据解调开关信号锁定解调信号的频率和相位。

4、本发明提出的动态环境下解调开关信号自动相位对齐方法，利用动态环境下解调开关信号自动相位对齐系统实现，包括如下步骤：

5、s1、逻辑电路向被测对象输出激励信号a(t)：

6、a(t)＝v0cos(ω0t)  (1)；

7、其中，v0为激励信号的幅度，ω0为激励信号的频率；

8、s2、前端模拟电路采集并放大被测对象的位置信息，并输出被测对象的位置信号x(t)，设位置信号的相角为θ，则位置信号x(t)：

9、x(t)＝vscos(ω0t+θ)  (2)；

10、其中，vs为位置信号的幅度；

11、s3、相敏解调电路对位置信号进行解调，并根据逻辑电路输出的解调开关信号锁定解调信号的频率和相位，模数转换传感器采集相敏解调电路输出的解调信号uo(t)：

12、

13、s4、低通滤波器将模数转换传感器输出的解调信号进行滤波，逻辑电路根据低通滤波器输出的解调信号生成正相解调信号ux(t)：

14、

15、将解调信号的相位移动π/2，并通过低通滤波器进行滤波后，获得反相解调信号uy(t):

16、

17、s5、cordic模块根据正相解调信号和反相解调信号计算相角θ：

18、

19、s6、解调开关信号相位调整模块根据步骤s5得到的相角移动解调开关信号的相位，使相敏解调电路输出的解调信号满足：

20、

21、s7、利用检测模块检测解调开关信号与位置信号进行相位对齐后的相位差，当相位差小于设定阈值时，判定解调开关信号与位置信号的相位对齐，当相位差大于等于设定阈值时，执行步骤s4。

22、优选地，解调开关信号的响应频率大于被测对象的谐振频率，保证解调开关信号与位置信号的相位对齐的准确性。

23、优选地，步骤s7中的设定阈值τ：

24、

25、其中，fref为解调开关信号的频率，fclk为fpga数字电路的时钟。

26、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

27、(1)本发明提出的动态环境下解调开关信号自动相位对齐系统及对齐方法能够使相敏解调电路在最大程度上去除噪声，提高相敏解调电路的信噪比，有效的提高电容传感的精度；同时也解决了当前静态的解调信号相位对齐方法在动态环境下效果不佳的短板，本发明能够在被测对象处于动态环境下，完成解调信号与被测对象的位置信号的相位准确对齐。

28、(1)本发明应用fpga数字电路，运行频率高，且通过使解调信号的响应频率大于被测对象的谐振频率，保证了解调信号与被测对象的位置信号的相位对齐的准确性。本发明提出的动态环境下解调开关信号自动相位对齐系统及对齐方法具有一定通用性，可广泛应用于电容传感领域中的相敏解调电路的相位自动对齐。

技术特征：

1.一种动态环境下解调开关信号自动相位对齐系统，包括前端模拟电路、相敏解调电路和模数转换传感器，所述前端模拟电路的输入端与被测对象的输出端相连，所述前端模拟电路的输出端与所述相敏解调电路的输入端相连，所述相敏解调电路的输出端与所述模数转换传感器的输入端相连，其特征在于，还包括fpga数字电路，所述fpga数字电路包括逻辑电路、低通滤波器、cordic模块、解调开关信号相位调整模块和检测模块，所述模数转换传感器的输出端与所述fpga数字电路的输入端相连，所述fpga数字电路的输出端分别作用于所述相敏解调电路与所述被测对象；

2.一种动态环境下解调开关信号自动相位对齐方法，利用权利要求1所述的动态环境下解调开关信号自动相位对齐系统实现，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的动态环境下解调开关信号自动相位对齐方法，其特征在于，所述解调开关信号的响应频率大于所述被测对象的谐振频率，保证所述解调开关信号与所述位置信号的相位对齐的准确性。

4.根据权利要求2所述的动态环境下解调开关信号自动相位对齐方法，其特征在于，所述步骤s7中的所述设定阈值τ：

技术总结
本发明涉及电容传感技术领域，尤其涉及一种动态环境下解调开关信号自动相位对齐系统及对齐方法，其中，动态环境下解调开关信号自动相位对齐方法包括：S1、逻辑电路向被测对象输出激励信号；S2、前端模拟电路输出被测对象的位置信号；S3、模数转换传感器采集相敏解调电路输出的解调信号；S4、逻辑电路根据低通滤波器输出的解调信号生成正相解调信号和反相解调信号；S5、利用CORDIC模块计算相角；S6、解调开关信号相位调整模块移动解调开关信号的相位；S7、检测解调开关信号与位置信号进行相位对齐后的相位差。本发明应用FPGA数字电路，运行频率高，抗干扰性强。

技术研发人员：薛科,于涛,汪龙祺,王智,隋延林,陈泳锟,陈禹竺,刘鑫
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15