基于锁相环技术测量信号间相位差的数字相位计及其方法技术

本发明专利技术公开一种基于锁相环技术测量信号间相位差的数字相位计及其方法，所述数字相位计包括第一模拟低通滤波器、第二模拟低通滤波器、AD转换器和核心算法运算电路，第一模拟低通滤波器和第二模拟低通滤波器分别将基准信号和待测信号的高频噪声部分滤除；AD转换器将模拟信号转换为数字信号；核心算法运算电路测量基准数字信号的初始频率，产生正交信号，将正交信号分别与基准数字信号和待测数字信号混频、降频为基准直流信号，再经反正切运算得到基准信号与本地信号的相位差φa以及待测信号与本地信号的相位差φb，计算φb与φa之间的差值，得到待测信号与基准信号之间的相位差。本发明专利技术可广泛的用于测量信号间的相位差，尤其是高精度的测量相位差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信号测量及数字信号处理领域，特别涉及一种。
技术介绍
相位测量技术的研究由来已久，最早的研究和应用是在数学的矢量分析和物理学的圆周运动以及振动学方面，随之在电力部门、机械部门、航空航天、地质勘探、海底资源等方面也相应得到重视和发展。随着电子技术和计算机技术的发展，相位测量技术得到了迅速的发展，目前相位测量技术己较完善，测量方法及理论也比较成熟，相位测量仪器已系列化和商品化。现代相位测量技术的发展可分为三个阶段1:第一阶段是在早期采用的诸如阻抗法、和/差法、三电压法、比对法和平衡法等，虽然方法简单，但测量精度较低；第二阶段是利用数字专用电路、微处理器(单片机)、FPGA (Field — Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)、CPLD (Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)、DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器)等构成测相系统,使测量精度得以大大提高；第三阶段是充分利用计算机及智能化虚拟测量技术，从而大大简化设计程序，增强功能，使得相应的产品精度更高、功能更全。同时，各种新的算法也随之出现。在相位/频率测量技术方面，国内测相领域起步比较晚，产品种类较少，配套产品少；产品测试功能单一；仪器精度、数字化和自动化程度不高；相位计量标准不完备。因此对高精度相位测量算法的研究和相位计产品化设计刻不容缓。
技术实现思路
本专利技术要解决的 技术问题就是解决在高精度的测量信号间相位差领域测量仪器的匮乏问题，提供一种。为了解决上述问题，本专利技术提供一种基于锁相环技术测量信号间相位差的数字相位计，包括:第一模拟低通滤波器、第二模拟低通滤波器、AD转换器和核心算法运算电路，其中，所述第一模拟低通滤波器与所述AD转换器相连，用于将基准信号的高频噪声部分滤除以提高基准信号的信噪比，得到基准模拟信号，发送至所述AD转换器；所述第二模拟低通滤波器与所述AD转换器相连，用于将待测信号的高频噪声部分滤除以提高待测信号的信噪比，得到待测模拟信号，发送至所述AD转换器；所述AD转换器与所述核心算法运算电路相连，用于将基准模拟信号转换为基准数字信号，以及，将待测模拟信号转换为待测数字信号；所述核心算法运算电路用于测量所述基准数字信号的初始频率，根据所述初始频率产生正交信号，将所述正交信号与基准数字信号混频、降频为基准直流信号，再经反正切运算得到基准信号与本地信号的相位差;以及，将所述正交信号与待测数字信号混频、降频为待测直流信号，再经反正切运算得到待测信号与本地信号的相位差Φι，计算013与 之间的差值，得到待测信号与基准信号之间的相位差。优选地，上述数字相位计还具有以下特点:所述数字相位计还可包括RS232通信模块，所述RS232通信模块与所述核心算法运算电路相连，用于将核心算法运算电路得到的待测信号与基准信号之间的相位差发送至计算机或其他设备。优选地，上述数字相位计还具有以下特点:所述核心算法运算电路包括频率计、本地振荡器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第一反正切运算器、第二反正切运算器、频率反馈控制器和减法器；其中，频率计与本地振荡器相连，本地振荡器分别与第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器和频率反馈控制器相连，第一乘法器、第一低通滤波器和第一反正切运算器依次相连，第二乘法器、第二低通滤波器和第一反正切运算器依次相连，第三乘法器、第三低通滤波器和第二反正切运算器依次相连，第四乘法器、第四低通滤波器和第二反正切运算器依次相连，第一反正切运算器分别与频率反馈控制器和减法器相连，第二反正切运算器与减法器相连；所述频率计用于对AD转换器发送的基准数字信号进行测量，得到基准数字信号的初始频率，并将所述初始频率反馈至本地振荡器；所述本地振荡器用于根据得到的初始频率产生正交的余弦信号和正弦信号，将所述余弦信号分别发送至第一乘法器和第三乘法器，将所述正弦信号分别发送至第二乘法器和第四乘法器；所述第一乘法器用于将所述余弦信号与AD转换器发送的基准数字信号相乘，并发送至第一低通滤波器；所述第二乘法器用于将所述正弦信号与AD转换器发送的基准数字信号相乘，并发送至第二低通滤波器；所述第三乘法器用于将所述余弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第三低通滤波器；所述第四乘法器用于将所述正弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第四低通滤波器；所述第一低通滤波器用于将第一乘法器发送的信号降频为第一直流信号，发送至第一反正切运算器；所述第二低通滤波器用于将第二乘法器发送的信号降频为第二直流信号，发送至第一反正切运算器；所述第三低通滤波器用于将第三乘法器发送的信号降频为第三直流信号，发送至第二反正切运算器；所述第四低通滤波器用于将第四乘法器发送的信号降频为第四直流信号，发送至第二反正切运算器；所述第一反正切运算器用于将所述第二直流信号和第一直流信号进行反正切运算得到基准信号与本地振动器输出的本地信号的相位差;所述第二反正切运算器用于将所述第四直流信号和第三直流信号进行反正切运算得到待测信号与本地振动器输出的本地信号的相位差φ13;所述减法器用于计算(^与(K之间的差值，得到待测信号与基准信号之间的相位差，并输出；所述频率反馈控制器用于计算本地振荡器和基准信号间的频率误差，反馈给本地振荡器，以调整本地振荡器信号的频率，使本地振荡器信号的频率跟随基准信号的变化。为了解决上述问题，本专利技术提供一种基于锁相环技术测量信号间相位差的方法，包括:第一模拟低通滤波器将基准信号的高频噪声部分滤除以提高基准信号的信噪比，得到基准模拟信号，发送至所述AD转换器，以及，第二模拟低通滤波器将待测信号的高频噪声部分滤除以提高待测信号的信噪比，得到待测模拟信号，发送至所述AD转换器；所述AD转换器将基准模拟信号转换为基准数字信号，以及，将待测模拟信号转换为待测数字信号；所述核心算法运算电路测量所述基准数字信号的初始频率，根据所述初始频率产生正交信号，将所述正交信号与基准数字信号混频、降频为基准直流信号，再经反正切运算得到基准信号与本地信号的相位差;以及，将所述正交信号与待测数字信号混频、降频为待测直流信号，再经反正切运算得到待测信号与本地信号的相位差Φι，计算013与小3之间的差值，得到待测信号与基准信号之间的相位差。优选地，所述方法还包括:RS232通信模块将核心算法运算电路得到的待测信号与基准信号之间的相位差发送至计算机或其他设备。优选地，上 述 方法还具有以下特点:所述核心算法运算电路包括频率计、本地振荡器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第一反正切运算器、第二反正切运算器和减法器；所述核心算法运算电路测量所述基准数字信号的初始频率，根据所述初始频率产生正交信号，将所述正交信号与基准数字信号混频、降频为基准直流信号，再经反正切运算得到基准信号与本地信号的相位差;以及，将所述正交信号与待测数字信号混频、降频为待测直流信号，再经反正切运算得到待测信号与本地信号的相位差Φι，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于锁相环技术测量信号间相位差的数字相位计，其特征在于，包括：第一模拟低通滤波器、第二模拟低通滤波器、AD转换器和核心算法运算电路，其中，所述第一模拟低通滤波器与所述AD转换器相连，用于将基准信号的高频噪声部分滤除以提高基准信号的信噪比，得到基准模拟信号，发送至所述AD转换器；所述第二模拟低通滤波器与所述AD转换器相连，用于将待测信号的高频噪声部分滤除以提高待测信号的信噪比，得到待测模拟信号，发送至所述AD转换器；所述AD转换器与所述核心算法运算电路相连，用于将基准模拟信号转换为基准数字信号，以及，将待测模拟信号转换为待测数字信号；所述核心算法运算电路用于测量所述基准数字信号的初始频率，根据所述初始频率产生正交信号，将所述正交信号与基准数字信号混频、降频为基准直流信号，再经反正切运算得到基准信号与本地信号的相位差φa；以及，将所述正交信号与待测数字信号混频、降频为待测直流信号，再经反正切运算得到待测信号与本地信号的相位差φb，计算φb与φa之间的差值，得到待测信号与基准信号之间的相位差。

【技术特征摘要】
1.一种基于锁相环技术测量信号间相位差的数字相位计，其特征在于，包括:第一模拟低通滤波器、第二模拟低通滤波器、AD转换器和核心算法运算电路，其中， 所述第一模拟低通滤波器与所述AD转换器相连，用于将基准信号的高频噪声部分滤除以提高基准信号的信噪比，得到基准模拟信号，发送至所述AD转换器； 所述第二模拟低通滤波器与所述AD转换器相连，用于将待测信号的高频噪声部分滤除以提高待测信号的信噪比，得到待测模拟信号，发送至所述AD转换器； 所述AD转换器与所述核心算法运算电路相连，用于将基准模拟信号转换为基准数字信号，以及，将待测模拟信号转换为待测数字信号； 所述核心算法运算电路用于测量所述基准数字信号的初始频率，根据所述初始频率产生正交信号，将所述正交信号与基准数字信号混频、降频为基准直流信号，再经反正切运算得到基准信号与本地信号的相位差;以及，将所述正交信号与待测数字信号混频、降频为待测直流信号，再经反正切运算得到待测信号与本地信号的相位差Φι，计算013与小3之间的差值，得到待测信号与基准信号之间的相位差。2.如权利要求1所述的数字相位计，其特征在于， 所述数字相位 计还可包括RS232通信模块，所述RS232通信模块与所述核心算法运算电路相连，用于将核心算法运算电路得到的待测信号与基准信号之间的相位差发送至计算机或其他设备。3.如权利要求1或2所述的数字相位计，其特征在于， 所述核心算法运算电路包括频率计、本地振荡器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第一反正切运算器、第二反正切运算器、频率反馈控制器和减法器；其中，频率计与本地振荡器相连，本地振荡器分别与第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器和频率反馈控制器相连，第一乘法器、第一低通滤波器和第一反正切运算器依次相连，第二乘法器、第二低通滤波器和第一反正切运算器依次相连，第三乘法器、第三低通滤波器和第二反正切运算器依次相连，第四乘法器、第四低通滤波器和第二反正切运算器依次相连，第一反正切运算器分别与频率反馈控制器和减法器相连，第二反正切运算器与减法器相连； 所述频率计用于对AD转换器发送的基准数字信号进行测量，得到基准数字信号的初始频率，并将所述初始频率反馈至本地振荡器； 所述本地振荡器用于根据得到的初始频率产生正交的余弦信号和正弦信号，将所述余弦信号分别发送至第一乘法器和第三乘法器，将所述正弦信号分别发送至第二乘法器和第四乘法器； 所述第一乘法器用于将所述余弦信号与AD转换器发送的基准数字信号相乘，并发送至第一低通滤波器； 所述第二乘法器用于将所述正弦信号与AD转换器发送的基准数字信号相乘，并发送至第二低通滤波器； 所述第三乘法器用于将所述余弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第三低通滤波器； 所述第四乘法器用于将所述正弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第四低通滤波器；所述第一低通滤波器用于将第一乘法器发送的信号降频为第一直流信号，发送至第一反正切运算器； 所述第二低通滤波器用于将第二乘法器发送的信号降频为第二直流信号，发送至第一反正切运算器； 所述第三低通滤波器用于将第三乘法器发送的信号降频为第三直流信号，发送至第二反正切运算器； 所述第四低通滤波器用于将第四乘法器发送的信号降频为第四直流信号，发送至第二反正切运算器； 所述第一反正切运算器用于将所述第二直流信号和第一直流信号进行反正切运算得到基准信号与本地振动器输出的本地信号的相位差; 所述第二反正切运算器用于将所述第四直流信号和第三直流信号进行反正切运算得到待测信号与本地振动器输出的本地信号的相位差Φι ; 所述减法器用于计算013与之间的差值，得到待测信号与基准信号之间的相位差，并输出； 所述频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘河山，靳刚，董玉辉，李玉琼，罗子人，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：