本發(fā)明涉及信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于分頻方式的相位差精確測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

相位檢測(cè)是許多測(cè)量工程的一項(xiàng)基本而重要的任務(wù)，在通信和自動(dòng)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。常見的相位檢測(cè)電路的檢測(cè)范圍一般比較窄，通常只有180°，而能夠檢測(cè)360°范圍相位差的電路常在區(qū)域拼接處存在奇點(diǎn)，電路在這個(gè)奇點(diǎn)的表現(xiàn)相當(dāng)不穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于分頻方式的相位差精確測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，該系統(tǒng)的檢測(cè)范圍寬，在0°～360°范圍內(nèi)無(wú)奇點(diǎn)，核心電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開的一種基于分頻方式的相位差精確測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：它包括第一放大整形器、第二放大整形器、分頻鑒相器、選通控制器、積分變換器和微處理器，其中，所述選通控制器包括二通道模擬開關(guān)K1、二通道模擬開關(guān)K2和二通道模擬開關(guān)K3，第一放大整形器和第二放大整形器的信號(hào)輸入端分別連接頻率相同且相差恒定的第一被測(cè)信號(hào)接口JI和第二被測(cè)信號(hào)接口J2，第一放大整形器的信號(hào)輸出端連接分頻鑒相器的第一信號(hào)輸入端，第二放大整形器的信號(hào)輸出端連接分頻鑒相器的第二信號(hào)輸入端，分頻鑒相器的周期脈寬信號(hào)輸出端連接選通控制器的二通道模擬開關(guān)K1的第一輸入接線端，分頻鑒相器的相差脈寬信號(hào)輸出端連接選通控制器的二通道模擬開關(guān)K1的第二輸入接線端，二通道模擬開關(guān)K1的輸出接線端連接二通道模擬開關(guān)K2的第二輸入接線端，二通道模擬開關(guān)K2的第一輸入接線端接空，二通道模擬開關(guān)K2的輸出接線端連接積分變換器的信號(hào)輸入端，積分變換器的模擬電壓輸出端連接微處理器的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入端，積分變換器的模擬電壓輸出端還連接選通控制器的二通道模擬開關(guān)K3的輸入接線端，二通道模擬開關(guān)K3的第一輸出接線端接空，二通道模擬開關(guān)K3的第二輸出接線端接地，微處理器的第一選通控制信號(hào)輸出端連接二通道模擬開關(guān)K1的控制端，微處理器的第二選通控制信號(hào)輸出端連接二通道模擬開關(guān)K2的控制端，微處理器的放電控制信號(hào)輸出端連接二通道模擬開關(guān)K3的控制端。

一種利用上述系統(tǒng)進(jìn)行相位差精確測(cè)量的方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1：被測(cè)裝置輸出頻率相同、相差恒定的第一路被測(cè)信號(hào)和第二路被測(cè)信號(hào)，第一路被測(cè)信號(hào)通過(guò)第一被測(cè)信號(hào)接口JI進(jìn)入第一放大整形器進(jìn)行放大整形處理，得到CMOS邏輯電平的第一方波信號(hào)SN1，第二路被測(cè)信號(hào)通過(guò)第二被測(cè)信號(hào)接口J2進(jìn)入第二放大整形器進(jìn)行放大整形處理，得到CMOS邏輯電平的第二方波信號(hào)SN2；

步驟2：CMOS邏輯電平的第一方波信號(hào)SN1和CMOS邏輯電平的第二方波信號(hào)SN2分別進(jìn)入分頻鑒相器的第一信號(hào)輸入端和第二信號(hào)輸入端，分頻鑒相器將CMOS邏輯電平的第一方波信號(hào)SN1進(jìn)行二分頻獲得占空比為50％的方波信號(hào)T_c，即周期脈寬信號(hào)，分頻鑒相器還產(chǎn)生CMOS邏輯電平的第一方波信號(hào)SN1和CMOS邏輯電平的第二方波信號(hào)SN2的相位差信號(hào)T_p，即相差脈寬信號(hào)；

步驟3：選通控制器在微處理器的控制下依次將相差脈寬信號(hào)和周期脈寬信號(hào)輸送到積分變換器，積分變換器分別對(duì)相差脈寬信號(hào)和周期脈寬信號(hào)進(jìn)行積分變換，積分變換器依次輸出正比于相差脈寬信號(hào)的電壓信號(hào)U_P和正比于周期脈寬信號(hào)的電壓信號(hào)U_C；

步驟4：微處理器的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取電壓信號(hào)U_P和電壓信號(hào)U_C，并計(jì)算電壓信號(hào)U_P和電壓信號(hào)U_C的比值，即完成了對(duì)被測(cè)裝置輸出的第一路被測(cè)信號(hào)和第二路被測(cè)信號(hào)之間相差的檢測(cè)。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的上述系統(tǒng)和方法基于分頻的方式，由于對(duì)輸入信號(hào)先進(jìn)行了分頻，其周期就得到了翻倍，使得檢測(cè)范圍得以擴(kuò)大。采用積分方式測(cè)量脈沖寬度，使得測(cè)量精度大大提高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的整體原理框圖；

圖2為本發(fā)明中分頻鑒相的原理框圖；

圖3為本發(fā)明中分頻鑒相電路輸入輸出信號(hào)波形圖；

圖4為本發(fā)明中選通控制器的原理框圖；

圖5為本發(fā)明中積分變換器的原理框圖；

圖6為本發(fā)明中積分變換電路輸入輸出信號(hào)波形圖；

圖7為本發(fā)明系統(tǒng)的輸出測(cè)試圖。

其中，1—第一放大整形器、2—第二放大整形器、3—分頻鑒相器、4—選通控制器、5—積分變換器、6—微處理器、7—液晶顯示器。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

本發(fā)明的所設(shè)計(jì)的基于分頻方式的相位差精確測(cè)量系統(tǒng)，如圖1～7所示，它包括第一放大整形器1、第二放大整形器2、分頻鑒相器3、選通控制器4、積分變換器5和微處理器6，其中，所述選通控制器4包括二通道模擬開關(guān)K1、二通道模擬開關(guān)K2和二通道模擬開關(guān)K3，第一放大整形器1和第二放大整形器2的信號(hào)輸入端分別連接頻率相同且相差恒定的第一被測(cè)信號(hào)接口JI和第二被測(cè)信號(hào)接口J2，第一放大整形器1的信號(hào)輸出端連接分頻鑒相器3的第一信號(hào)輸入端，第二放大整形器2的信號(hào)輸出端連接分頻鑒相器3的第二信號(hào)輸入端，分頻鑒相器3的周期脈寬信號(hào)輸出端連接選通控制器4的二通道模擬開關(guān)K1的第一輸入接線端，分頻鑒相器3的相差脈寬信號(hào)輸出端連接選通控制器4的二通道模擬開關(guān)K1的第二輸入接線端，二通道模擬開關(guān)K1的輸出接線端連接二通道模擬開關(guān)K2的第二輸入接線端，二通道模擬開關(guān)K2的第一輸入接線端接空，二通道模擬開關(guān)K2的輸出接線端連接積分變換器5的信號(hào)輸入端，積分變換器5的模擬電壓輸出端連接微處理器6的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入端，積分變換器5的模擬電壓輸出端還連接選通控制器4的二通道模擬開關(guān)K3的輸入接線端，二通道模擬開關(guān)K3的第一輸出接線端接空，二通道模擬開關(guān)K3的第二輸出接線端接地，微處理器6的第一選通控制信號(hào)輸出端IO1連接二通道模擬開關(guān)K1的控制端SELE，微處理器6的第二選通控制信號(hào)輸出端IO2連接二通道模擬開關(guān)K2的控制端CHAR，微處理器6的放電控制信號(hào)輸出端IO3連接二通道模擬開關(guān)K3的控制端DISC。

上述技術(shù)方案中，二通道模擬開關(guān)K1、二通道模擬開關(guān)K2、二通道模擬開關(guān)K3的電源正極接口連接均電源VDD，電源負(fù)極接口均連接負(fù)極電源VSS，接地端GND均接地。

上述技術(shù)方案中，所述分頻鑒相器3包括D型觸發(fā)器U5A、D型觸發(fā)器U5B和與門U6A，其中，D型觸發(fā)器U5A的數(shù)據(jù)輸入端1D連接D型觸發(fā)器U5A的數(shù)據(jù)反相輸出端～1Q，D型觸發(fā)器U5A的置位端～1PR和D型觸發(fā)器U5A的清零端～1CLR均連接電源VDD，第一放大整形器1的信號(hào)輸出端連接D型觸發(fā)器U5A的時(shí)鐘輸入端1CLK，D型觸發(fā)器U5A的數(shù)據(jù)輸出端1Q用于輸出周期脈寬信號(hào)(方波信號(hào)T_c)，D型觸發(fā)器U5B的數(shù)據(jù)輸入端2D連接與門U6A的輸出端，D型觸發(fā)器U5B的置位端～2PR和D型觸發(fā)器U5B的清零端～2CLR連接電源VDD，與門U6A的第一輸入端連接D型觸發(fā)器U5A的數(shù)據(jù)輸出端1Q，與門U6A的第二輸入端連接D型觸發(fā)器U5B的數(shù)據(jù)反相輸出端～2Q，第二放大整形器2的信號(hào)輸出端連接D型觸發(fā)器U5B的時(shí)鐘輸入端2CLK，與門U6A的輸出端用于輸出相差脈寬信號(hào)(相位差信號(hào)T_p)。

上述分頻鑒相器3中的觸發(fā)器U5A完成二分頻工作，第一方波信號(hào)SN1由D型觸發(fā)器U5A的時(shí)鐘輸入端1CLK輸入，方波信號(hào)T_c(二分頻信號(hào))由D型觸發(fā)器U5A的數(shù)據(jù)輸出端1Q輸出。D型觸發(fā)器U5B和與門U6A完成鑒相工作，相差脈寬信號(hào)由與門U6A的輸出端給出。分頻鑒相器3的波形如圖3所示。

上述技術(shù)方案中，所述積分變換器5包括電阻R51、電阻R52、積分電容C51、三極管Q51、三極管Q52、發(fā)光二極管LED51和非門U9A，其中，非門U9A的輸入端連接二通道模擬開關(guān)K2的輸出接線端，非門U9A的輸出端連接電阻R52的一端，電阻R52的另一端連接三極管Q51的集電極，三極管Q51的發(fā)射極連接電源VDD，電阻R51的一端連接電源VDD，電阻R51的另一端連接三極管Q51的基極，三極管Q51的基極連接三極管Q52的發(fā)射極，三極管Q52的基極連接三極管Q51的集電極，三極管Q52的集電極連接發(fā)光二極管LED51的正極，發(fā)光二極管LED51的負(fù)極為積分變換器5的模擬電壓輸出端，積分電容C51的一端連接發(fā)光二極管LED51的負(fù)極，積分電容C51的另一端接地。積分變換器5的波形如圖6所示。

上述積分變換器5中，電阻R51、電阻R52、三極管Q51和三極管Q52組成恒流源，非門U9A輸出端控制著該恒流源的開通和截止。在非門U9A的輸入端T_s出現(xiàn)高電平時(shí)恒流源輸出端通過(guò)發(fā)光二極管LED51對(duì)積分電容C51充電，在非門U9A的輸入端T_s出現(xiàn)低電平時(shí)恒流源停止對(duì)積分電容C51充電。此處發(fā)光二極管LED51有兩個(gè)作用：一是充電的過(guò)程顯示；二是起降壓作用，限制積分輸出電壓幅度，使其滿足后級(jí)微處理器6的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍的要求。在一個(gè)積分周期T內(nèi)，積分電容C51兩端的累積電壓U_c滿足下面表達(dá)式

其中，C是積分電容C51的電容量，T_s是信號(hào)脈沖正頻寬度，n是一個(gè)積分周期T內(nèi)包含的脈沖個(gè)數(shù)，這里的T>>T_s，常量I是恒流源電流。當(dāng)積分時(shí)間T和信號(hào)周期一定時(shí)，n是一個(gè)定數(shù)。因此可得：

U_c∝T_s

把相差脈寬信號(hào)和周期脈寬信號(hào)依次送入積分變換器5，依次測(cè)量出積分終了的電壓U_p和U_c，即可以求出相位差；

上述技術(shù)方案中，所述選通控制器4還包括電阻R41和電阻R42，其中電阻R41的一端連接二通道模擬開關(guān)K2的輸出接線端，電阻R41的另一端接地，積分變換器5的模擬電壓輸出端通過(guò)電阻R42連接選通控制器4的二通道模擬開關(guān)K3的輸入接線端。

上述技術(shù)方案中，所述微處理器6的顯示信號(hào)輸出端連接有液晶顯示器7的信號(hào)輸入端。

一種利用上述系統(tǒng)進(jìn)行相位差精確測(cè)量的方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1：被測(cè)裝置(聲電，光電，磁電，力電傳感器)輸出頻率相同、相差恒定的第一路被測(cè)信號(hào)和第二路被測(cè)信號(hào)(1～100kHz)，第一路被測(cè)信號(hào)通過(guò)第一被測(cè)信號(hào)接口JI進(jìn)入第一放大整形器1進(jìn)行放大整形處理，得到CMOS邏輯電平的第一方波信號(hào)SN1(5V)，第二路被測(cè)信號(hào)通過(guò)第二被測(cè)信號(hào)接口J2進(jìn)入第二放大整形器2進(jìn)行放大整形處理，得到CMOS邏輯電平的第二方波信號(hào)SN2(5V)；

步驟2：CMOS邏輯電平的第一方波信號(hào)SN1和CMOS邏輯電平的第二方波信號(hào)SN2分別進(jìn)入分頻鑒相器3的第一信號(hào)輸入端和第二信號(hào)輸入端，分頻鑒相器3將CMOS邏輯電平的第一方波信號(hào)SN1進(jìn)行二分頻獲得占空比為50％的方波信號(hào)T_c(該方波T_c正頻寬和負(fù)頻寬都等于第一方波信號(hào)SN1的一個(gè)周期)，即周期脈寬信號(hào)，分頻鑒相器3還產(chǎn)生CMOS邏輯電平的第一方波信號(hào)SN1和CMOS邏輯電平的第二方波信號(hào)SN2的相位差信號(hào)T_p(該相位差信號(hào)T_p正頻寬度等于第二方波信號(hào)SN2落后第一方波信號(hào)SN1的時(shí)間)，即相差脈寬信號(hào)；

步驟3：選通控制器4在微處理器6的控制下依次將相差脈寬信號(hào)和周期脈寬信號(hào)輸送到積分變換器5，積分變換器5分別對(duì)相差脈寬信號(hào)和周期脈寬信號(hào)進(jìn)行積分變換，積分變換器5依次輸出正比于相差脈寬信號(hào)的電壓信號(hào)U_P和正比于周期脈寬信號(hào)的電壓信號(hào)U_C；

步驟4：微處理器6的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取電壓信號(hào)U_P和電壓信號(hào)U_C，并計(jì)算電壓信號(hào)U_P和電壓信號(hào)U_C的比值(由于電壓信號(hào)U_P或電壓信號(hào)U_C，通常是成百上千個(gè)信號(hào)脈沖積累給出的結(jié)果，所以極大的提高了相位差測(cè)量精度)；

相位差＝360°*(U_P/U_C)

即完成了對(duì)被測(cè)裝置輸出的第一路被測(cè)信號(hào)和第二路被測(cè)信號(hào)之間相差的檢測(cè)。

上述技術(shù)方案中，所述微處理器6的第一選通控制信號(hào)輸出端輸出的選通信號(hào)SELE控制二通道模擬開關(guān)K1讓相差脈寬信號(hào)或周期脈寬信號(hào)通過(guò)，微處理器6的第二選通控制信號(hào)輸出端輸出的選通信號(hào)通過(guò)二通道模擬開關(guān)K2控制積分變換器5的積分變換開始和結(jié)束，微處理器6的放電控制信號(hào)輸出端DISC控制積分變換器5中積分電容C51的放電和終止。

上述技術(shù)方案中，選通控制器4在微處理器6的控制下依次將相差脈寬信號(hào)和周期脈寬信號(hào)輸送到積分變換器5的控制步驟為：

步驟3.1：微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K1，使相差脈寬信號(hào)通過(guò)；

步驟3.2：微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K2將相差脈寬信號(hào)輸送到積分變換器5進(jìn)行積分變換；

步驟3.3：積分變換完成后微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K2將相差脈寬信號(hào)斷開停止積分變換；

步驟3.4：微處理器6的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取積分變換器5輸出的電壓信號(hào)U_P；

步驟3.5：微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K3使積分變換器5放電，清零積分電壓；

步驟3.6：積分變換器5放電預(yù)設(shè)時(shí)間后，微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K1，使周期脈寬信號(hào)通過(guò)；

步驟3.7：微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K2將周期脈寬信號(hào)輸送到積分變換器5進(jìn)行積分變換；

步驟3.8：積分變換完成后微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K2將周期脈寬信號(hào)斷開停止積分變換；

步驟3.9：微處理器6的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取積分變換器5輸出的電壓信號(hào)U_C；

步驟3.10：微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K3使積分變換器5放電，清零積分電壓；

步驟3.11：積分變換器5放電預(yù)設(shè)時(shí)間后微處理器6計(jì)算電壓信號(hào)U_P與電壓信號(hào)U_C的比值并輸出結(jié)果，完成一個(gè)檢測(cè)循環(huán)。

上述技術(shù)方案中，所述步驟3中，選通控制器4在微處理器6的控制下依次將相差脈寬信號(hào)和周期脈寬信號(hào)輸送到積分變換器5的控制步驟還可以為：

步驟3.01：微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K1，使周期脈寬信號(hào)通過(guò)；

步驟3.02：微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K2將周期脈寬信號(hào)輸送到積分變換器5進(jìn)行積分變換；

步驟3.03：積分變換完成后微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K2將周期脈寬信號(hào)斷開停止積分變換；

步驟3.04：微處理器6的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取積分變換器5輸出的電壓信號(hào)U_C；

步驟3.05：微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K3使積分變換器5放電，清零積分電壓；

步驟3.06：積分變換器5放電預(yù)設(shè)時(shí)間后，微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K1，使相差脈寬信號(hào)通過(guò)；

步驟3.07：微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K2將相差脈寬信號(hào)輸送到積分變換器5進(jìn)行積分變換；

步驟3.08：積分變換完成后微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K2將相差脈寬信號(hào)斷開停止積分變換；

步驟3.09：微處理器6的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取積分變換器5輸出的電壓信號(hào)U_p；

步驟3.010：微處理器6控制二通道模擬開關(guān)K3使積分變換器5放電，清零積分電壓；

步驟3.011：積分變換器5放電預(yù)設(shè)時(shí)間后微處理器6計(jì)算電壓信號(hào)U_P與電壓信號(hào)U_C的比值并輸出結(jié)果，完成一個(gè)檢測(cè)循環(huán)。

上述技術(shù)方案中，當(dāng)輸入信號(hào)第二方波信號(hào)SN2落后第一方波信號(hào)SN1的相位差從0°至360°之間變化時(shí)，該相差脈寬信號(hào)的正頻寬度在0至T_C(一個(gè)輸入信號(hào)周期)間隨之成比例變化。根據(jù)相差脈寬信號(hào)和周期脈寬信號(hào)，可以求出第一方波信號(hào)SN1和第二方波信號(hào)SN2的相位差(單位：度)

相位差＝360°*相差脈寬/周期脈寬

圖7所示為根據(jù)上述技術(shù)方案完成的相位差檢測(cè)裝置對(duì)10KHz信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果。圖7中橫坐標(biāo)表示信號(hào)相位差，縱坐標(biāo)表示本裝置測(cè)量顯示的結(jié)果(以百分比表示出的相位差)。說(shuō)明本裝置對(duì)0°至360°相位差有非常好的線性表現(xiàn)，并且在整個(gè)360°范圍內(nèi)不存在奇點(diǎn)。

本說(shuō)明書未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。