專利名稱：基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位差的數(shù)字相位計及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號測量及數(shù)字信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位差的數(shù)字相位計及其方法。
背景技術(shù)：
相位測量技術(shù)的研究由來已久，最早的研究和應(yīng)用是在數(shù)學(xué)的矢量分析和物理學(xué)的圓周運動以及振動學(xué)方面，隨之在電力部門、機(jī)械部門、航空航天、地質(zhì)勘探、海底資源等方面也相應(yīng)得到重視和發(fā)展。隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相位測量技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，目前相位測量技術(shù)己較完善，測量方法及理論也比較成熟，相位測量儀器已系列化和商品化?，F(xiàn)代相位測量技術(shù)的發(fā)展可分為三個階段1:第一階段是在早期采用的諸如阻抗法、和/差法、三電壓法、比對法和平衡法等，雖然方法簡單，但測量精度較低；第二階段是利用數(shù)字專用電路、微處理器(單片機(jī))、FPGA (Field — Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)、CPLD (Complex Programmable Logic Device,復(fù)雜可編程邏輯器件)、DSP(Digital Signal Processor,數(shù)字信號處理器)等構(gòu)成測相系統(tǒng),使測量精度得以大大提高；第三階段是充分利用計算機(jī)及智能化虛擬測量技術(shù)，從而大大簡化設(shè)計程序，增強(qiáng)功能，使得相應(yīng)的產(chǎn)品精度更高、功能更全。同時，各種新的算法也隨之出現(xiàn)。在相位/頻率測量技術(shù)方面，國內(nèi)測相領(lǐng)域起步比較晚，產(chǎn)品種類較少，配套產(chǎn)品少；產(chǎn)品測試功能單一；儀器精度、數(shù)字化和自動化程度不高；相位計量標(biāo)準(zhǔn)不完備。因此對高精度相位測量算法的研究和相位計產(chǎn)品化設(shè)計刻不容緩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的 技術(shù)問題就是解決在高精度的測量信號間相位差領(lǐng)域測量儀器的匱乏問題，提供一種基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位差的數(shù)字相位計及其方法。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位差的數(shù)字相位計，包括:第一模擬低通濾波器、第二模擬低通濾波器、AD轉(zhuǎn)換器和核心算法運算電路，其中，所述第一模擬低通濾波器與所述AD轉(zhuǎn)換器相連，用于將基準(zhǔn)信號的高頻噪聲部分濾除以提高基準(zhǔn)信號的信噪比，得到基準(zhǔn)模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器；所述第二模擬低通濾波器與所述AD轉(zhuǎn)換器相連，用于將待測信號的高頻噪聲部分濾除以提高待測信號的信噪比，得到待測模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器；所述AD轉(zhuǎn)換器與所述核心算法運算電路相連，用于將基準(zhǔn)模擬信號轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)數(shù)字信號，以及，將待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號；所述核心算法運算電路用于測量所述基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，將所述正交信號與基準(zhǔn)數(shù)字信號混頻、降頻為基準(zhǔn)直流信號，再經(jīng)反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地信號的相位差;以及，將所述正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為待測直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測信號與本地信號的相位差Φι，計算013與 之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差。優(yōu)選地，上述數(shù)字相位計還具有以下特點:所述數(shù)字相位計還可包括RS232通信模塊，所述RS232通信模塊與所述核心算法運算電路相連，用于將核心算法運算電路得到的待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差發(fā)送至計算機(jī)或其他設(shè)備。優(yōu)選地，上述數(shù)字相位計還具有以下特點:所述核心算法運算電路包括頻率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器、第四低通濾波器、第一反正切運算器、第二反正切運算器、頻率反饋控制器和減法器；其中，頻率計與本地振蕩器相連，本地振蕩器分別與第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器和頻率反饋控制器相連，第一乘法器、第一低通濾波器和第一反正切運算器依次相連，第二乘法器、第二低通濾波器和第一反正切運算器依次相連，第三乘法器、第三低通濾波器和第二反正切運算器依次相連，第四乘法器、第四低通濾波器和第二反正切運算器依次相連，第一反正切運算器分別與頻率反饋控制器和減法器相連，第二反正切運算器與減法器相連；所述頻率計用于對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號進(jìn)行測量，得到基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，并將所述初始頻率反饋至本地振蕩器；所述本地振蕩器用于根據(jù)得到的初始頻率產(chǎn)生正交的余弦信號和正弦信號，將所述余弦信號分別發(fā)送至第一乘法器和第三乘法器，將所述正弦信號分別發(fā)送至第二乘法器和第四乘法器；所述第一乘法器用于將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第一低通濾波器；
所述第二乘法器用于將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第二低通濾波器；所述第三乘法器用于將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第三低通濾波器；所述第四乘法器用于將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第四低通濾波器；所述第一低通濾波器用于將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號，發(fā)送至第一反正切運算器；所述第二低通濾波器用于將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號，發(fā)送至第一反正切運算器；所述第三低通濾波器用于將第三乘法器發(fā)送的信號降頻為第三直流信號，發(fā)送至第二反正切運算器；所述第四低通濾波器用于將第四乘法器發(fā)送的信號降頻為第四直流信號，發(fā)送至第二反正切運算器；所述第一反正切運算器用于將所述第二直流信號和第一直流信號進(jìn)行反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差;所述第二反正切運算器用于將所述第四直流信號和第三直流信號進(jìn)行反正切運算得到待測信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差φ13;所述減法器用于計算(^與(K之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差，并輸出；所述頻率反饋控制器用于計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振蕩器信號的頻率，使本地振蕩器信號的頻率跟隨基準(zhǔn)信號的變化。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位差的方法，包括:第一模擬低通濾波器將基準(zhǔn)信號的高頻噪聲部分濾除以提高基準(zhǔn)信號的信噪比，得到基準(zhǔn)模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器，以及，第二模擬低通濾波器將待測信號的高頻噪聲部分濾除以提高待測信號的信噪比，得到待測模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器；所述AD轉(zhuǎn)換器將基準(zhǔn)模擬信號轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)數(shù)字信號，以及，將待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號；所述核心算法運算電路測量所述基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，將所述正交信號與基準(zhǔn)數(shù)字信號混頻、降頻為基準(zhǔn)直流信號，再經(jīng)反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地信號的相位差;以及，將所述正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為待測直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測信號與本地信號的相位差Φι，計算013與小3之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差。優(yōu)選地，所述方法還包括:RS232通信模塊將核心算法運算電路得到的待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差發(fā)送至計算機(jī)或其他設(shè)備。優(yōu)選地，上 述 方法還具有以下特點:所述核心算法運算電路包括頻率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器、第四低通濾波器、第一反正切運算器、第二反正切運算器和減法器；所述核心算法運算電路測量所述基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，將所述正交信號與基準(zhǔn)數(shù)字信號混頻、降頻為基準(zhǔn)直流信號，再經(jīng)反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地信號的相位差;以及，將所述正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為待測直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測信號與本地信號的相位差Φι，計算013與小3之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差的步驟包括:所述頻率計對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號進(jìn)行測量，得到基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，并將所述初始頻率反饋至本地振蕩器；所述本地振蕩器根據(jù)得到的初始頻率產(chǎn)生正交的余弦信號和正弦信號，將所述余弦信號分別發(fā)送至第一乘法器和第三乘法器，將所述正弦信號分別發(fā)送至第二乘法器和第四乘法器；所述第一乘法器將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第一低通濾波器；所述第一低通濾波器將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號，發(fā)送至第一反正切運算器；所述第二乘法器將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第二低通濾波器；所述第二低通濾波器將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號，發(fā)送至第一反正切運算器；所述第三乘法器將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第三低通濾波器；所述第三低通濾波器將第三乘法器發(fā)送的信號降頻為第三直流信號，發(fā)送至第二反正切運算器；所述第四乘法器將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第四低通濾波器；所述第四低通濾波器將第四乘法器發(fā)送的信號降頻為第四直流信號，發(fā)送至第二反正切運算器；所述第一反正切運算器將所述第二直流信號和第一直流信號進(jìn)行反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差;所述第二反正切運算器將所述第四直流信號和第三直流信號進(jìn)行反正切運算得到待測信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差Φι ;所述減法器計算(K與(K之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差，并輸出。

優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點:所述核心算法運算電路還可包括頻率反饋控制器；所述方法還包括:所述頻率反饋控制器計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振蕩器信號的頻率，使本地振蕩器信號的頻率跟隨基準(zhǔn)信號的變化。本發(fā)明可廣泛的用于測量信號間的相位差，尤其是高精度的測量信號間的相位差。本發(fā)明是基于FPGA的高精度相位計的設(shè)計，除AD轉(zhuǎn)換電路及其前端的調(diào)理電路其余運算部分均在FPGA內(nèi)完成，在相位計的硬件實現(xiàn)方面，F(xiàn)PGA以其硬件的優(yōu)勢具有并行處理的優(yōu)勢，所以在高速的數(shù)字信號處理方面有不可比擬的優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明實施例的基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位差的高精度數(shù)字相位計的不意圖；圖2為本發(fā)明實施例的核心算法運算電路示意圖。
具體實施例方式下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位差的數(shù)字相位計，包括:第一模擬低通濾波器、第二模擬低通濾波器、AD轉(zhuǎn)換器和核心算法運算電路，其中，所述第一模擬低通濾波器與所述AD轉(zhuǎn)換器相連，用于將基準(zhǔn)信號Sa =IaCOS (ω0 +Φ3)的高頻噪聲部分濾除以提高基準(zhǔn)信號的信噪比，得到高信噪比的基準(zhǔn)模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器；所述第二模擬低通濾波器與所述AD轉(zhuǎn)換器相連，用于將待測信號Sb =IbCos (ω0 +Φ,)的高頻噪聲部分濾除以提高待測信號的信噪比，得到高信噪比的待測模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器；
所述AD轉(zhuǎn)換器與所述核心算法運算電路相連，用于將基準(zhǔn)模擬信號轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)數(shù)字信號，以及，將待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號；所述核心算法運算電路用于測量所述基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率Oci，根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，將所述正交信號與基準(zhǔn)數(shù)字信號混頻、降頻為基準(zhǔn)直流信號，再經(jīng)反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地信號的相位差cK ;以及，將所述正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為待測直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測信號與本地信號的相位差Φι，計算Φι與之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差。另外，所述數(shù)字相位計還可包括RS232通信模塊，所述RS232通信模塊與所述核心算法運算電路相連，用于將核心算法運算電路得到的待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差發(fā)送至計算機(jī)或其他設(shè)備。如圖2所示，核心算法運算電路包括頻率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器、第四低通濾波器、第一反正切運算器、第二反正切運算器、頻率反饋控制器和減法器；其中，頻率計與本地振蕩器相連，本地振蕩器分別與第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器和頻率反饋控制器相連，第一乘法器、第一低通濾波器和第一反正切運算器依次相連，第二乘法器、第二低通濾波器和第一反正切運算器依次相連，第三乘法器、第三低通濾波器和第二反正切運算器依次相連，第四乘法器、第四低通濾波器和第二反正切運算器依次相連，第一反正切運算器分別與頻率反饋控制器和減法器相連，第二反正切運算器與減法器相連；所述頻率計用于對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號進(jìn)行測量，得到基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率Oci，并將所述初始頻率COci反饋至本地振蕩器；所述本地振蕩 器用于根據(jù)得到的初始頻率Otl產(chǎn)生正交的余弦信號Sl =Icos (ω0 )和正弦信號S2 = IsiWc^t),將所述余弦信號S1 = Icos (ω0 )分別發(fā)送至第一乘法器和第三乘法器，將所述正弦信號S2 = Isin(Ocit)分別發(fā)送至第二乘法器和第四乘法器；所述第一乘法器用于將所述余弦信號S1 = Icos (ω0 )與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘\ -S1 = IaIcos( 0/ + )cos(fi>0/) = /a/[^-cos(2io0/ + φα) + jCos(#a)],并發(fā)送至第一低通濾波器；所述第二乘法器用于將所述正弦信號S2 = Isin(Ocit)與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘 七=1J cos( J0f + ^a)SinCiy0O = ΙαΙ[^ η(2ω0 + φα) + ^ιη{φα)}，并發(fā)送至第二
低通濾波器；所述第三乘法器用于將所述余弦信號S1 = Icos (ω0 )與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘 Y s = Vcos( V + 4)eos(ey) = V[|eos(2iyn + A) + |cos(#6)]，并發(fā)送至第三低通濾波器；所述第四乘法器用于將所述正弦信號S2 = Isin(Cocit)與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘 4 ' -S2 = IbI cos(fiy + ^)sin(fi>00 =) + jsin(^)]，并發(fā)送至第四低通濾波器；所述第一低通濾波器用于將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號Q -|cos(#a)，發(fā)送至第一反正切運算器；所述第二低通濾波器用于將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號Pa =去sin⑷,發(fā)送至第一反正切運算器；所述第三低通濾波器用于將第三乘法器發(fā)送的信號降頻為第三直流信號Qb =^cos(#6),發(fā)送至第二反正切運算器；所述第四低通濾波器用于將第四乘法器發(fā)送的信號降頻為第四直流信號η =\^(Φ )，發(fā)送至第二反正切運算器；所述第一反正切運算器用于將所述第二直流信號和第一直流信號進(jìn)行反正切運算免=arctan(X )，得到基準(zhǔn)信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差< ;所述第二反正切運算器用于將所述第四直流信號和第三直流信號進(jìn)行反正切運算成)，得到待測信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差；所述減法器用于計算(^與(K之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差Δ爐，并輸出；所述頻率反饋控制器用于計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振蕩器信號的頻率Qci，使本地振蕩器信號的頻率跟隨基準(zhǔn)信號的變化。
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在一個應(yīng)用實例中，模擬低通濾波器為mini circuits公司生產(chǎn)的BLP1.9+無源低通濾波器,截止頻率為 1.9MHz。AD轉(zhuǎn)換器是Analog Devices公司生產(chǎn)的AD9254，采樣速率150MSPS，精度為14位。核心算法運算電路為FPGA主電路板，采用的是較為成熟的Terasic公司生產(chǎn)的DE3-340, FPGA 芯片為 Altera 公司生產(chǎn)的 Stratix IIIEP3SL340H1152C2。RS232通信模塊完成相位計和計算機(jī)間的數(shù)據(jù)通信，采用Terasic公司生產(chǎn)的HSMC Communication Card。相應(yīng)地，本發(fā)明實施例的基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位差的方法，包括:步驟I，第一模擬低通濾波器將基準(zhǔn)信號的高頻噪聲部分濾除以提高基準(zhǔn)信號的信噪比，得到高信噪比的基準(zhǔn)模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器，以及，第二模擬低通濾波器將待測信號的高頻噪聲部分濾除以提高待測信號的信噪比，得到高信噪比的待測模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器；步驟2，所述AD轉(zhuǎn)換器將基準(zhǔn)模擬信號轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)數(shù)字信號，以及，將待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號；步驟3，所述核心算法運算電路測量所述基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，將所述正交信號與基準(zhǔn)數(shù)字信號混頻、降頻為基準(zhǔn)直流信號，再經(jīng)反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地信號的相位差cK ;以及，將所述正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為待測直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測信號與本地信號的相位差Φι，計算Φι與之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差。其中步驟3具體包括:3.1所述頻率計對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號進(jìn)行測量，得到基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，并將所述初始頻率反饋至本地振蕩器；3.2所述本地振蕩器根據(jù)得到的初始頻率產(chǎn)生正交的余弦信號和正弦信號，將所述余弦信號分別發(fā)送至第一乘法器和第三乘法器，將所述正弦信號分別發(fā)送至第二乘法器和第四乘法器；3.3所述第一乘法器將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第一低通濾波器；所述第一低通濾波器將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號，發(fā)送至第一反正切運算器；3.4所述第二乘法器將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第二低通濾波器；所述第二低通濾波器將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號，發(fā)送至第一反正切運算器；

3.5所述第三乘法器將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第三低通濾波器；所述第三低通濾波器將第三乘法器發(fā)送的信號降頻為第三直流信號，發(fā)送至第二反正 切運算器；3.6所述第四乘法器將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第四低通濾波器；所述第四低通濾波器將第四乘法器發(fā)送的信號降頻為第四直流信號，發(fā)送至第二反正切運算器；3.7所述第一反正切運算器將所述第二直流信號和第一直流信號進(jìn)行反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差;3.8所述第二反正切運算器將所述第四直流信號和第三直流信號進(jìn)行反正切運算得到待測信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差Φ13 ;3.9所述減法器計算(^與(K之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差，并輸出。其中，步驟3.4 3.6并行進(jìn)行，步驟3.7和3.8并行進(jìn)行。另外，步驟3還包括:3.10所述頻率反饋控制器計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振蕩器信號的頻率，使本地振蕩器信號的頻率跟隨基準(zhǔn)信號的變化。另外，步驟3之后，本實施例還可包括:步驟4，RS232通信模塊將核心算法運算電路得到的待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差發(fā)送至計算機(jī)或其他設(shè)備。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、 等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位差的數(shù)字相位計，其特征在于，包括:第一模擬低通濾波器、第二模擬低通濾波器、AD轉(zhuǎn)換器和核心算法運算電路，其中， 所述第一模擬低通濾波器與所述AD轉(zhuǎn)換器相連，用于將基準(zhǔn)信號的高頻噪聲部分濾除以提高基準(zhǔn)信號的信噪比，得到基準(zhǔn)模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器； 所述第二模擬低通濾波器與所述AD轉(zhuǎn)換器相連，用于將待測信號的高頻噪聲部分濾除以提高待測信號的信噪比，得到待測模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器； 所述AD轉(zhuǎn)換器與所述核心算法運算電路相連，用于將基準(zhǔn)模擬信號轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)數(shù)字信號，以及，將待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號； 所述核心算法運算電路用于測量所述基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，將所述正交信號與基準(zhǔn)數(shù)字信號混頻、降頻為基準(zhǔn)直流信號，再經(jīng)反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地信號的相位差;以及，將所述正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為待測直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測信號與本地信號的相位差Φι，計算013與小3之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字相位計，其特征在于， 所述數(shù)字相位 計還可包括RS232通信模塊，所述RS232通信模塊與所述核心算法運算電路相連，用于將核心算法運算電路得到的待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差發(fā)送至計算機(jī)或其他設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字相位計，其特征在于， 所述核心算法運算電路包括頻率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器、第四低通濾波器、第一反正切運算器、第二反正切運算器、頻率反饋控制器和減法器；其中，頻率計與本地振蕩器相連，本地振蕩器分別與第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器和頻率反饋控制器相連，第一乘法器、第一低通濾波器和第一反正切運算器依次相連，第二乘法器、第二低通濾波器和第一反正切運算器依次相連，第三乘法器、第三低通濾波器和第二反正切運算器依次相連，第四乘法器、第四低通濾波器和第二反正切運算器依次相連，第一反正切運算器分別與頻率反饋控制器和減法器相連，第二反正切運算器與減法器相連； 所述頻率計用于對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號進(jìn)行測量，得到基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，并將所述初始頻率反饋至本地振蕩器； 所述本地振蕩器用于根據(jù)得到的初始頻率產(chǎn)生正交的余弦信號和正弦信號，將所述余弦信號分別發(fā)送至第一乘法器和第三乘法器，將所述正弦信號分別發(fā)送至第二乘法器和第四乘法器； 所述第一乘法器用于將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第一低通濾波器； 所述第二乘法器用于將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第二低通濾波器； 所述第三乘法器用于將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第三低通濾波器； 所述第四乘法器用于將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第四低通濾波器；所述第一低通濾波器用于將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號，發(fā)送至第一反正切運算器； 所述第二低通濾波器用于將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號，發(fā)送至第一反正切運算器； 所述第三低通濾波器用于將第三乘法器發(fā)送的信號降頻為第三直流信號，發(fā)送至第二反正切運算器； 所述第四低通濾波器用于將第四乘法器發(fā)送的信號降頻為第四直流信號，發(fā)送至第二反正切運算器； 所述第一反正切運算器用于將所述第二直流信號和第一直流信號進(jìn)行反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差; 所述第二反正切運算器用于將所述第四直流信號和第三直流信號進(jìn)行反正切運算得到待測信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差Φι ; 所述減法器用于計算013與之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差，并輸出； 所述頻率反饋控制器用于計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振蕩器信號的頻率，使本地振蕩器信號的頻率跟隨基準(zhǔn)信號的變化。
4.一種基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位差的方法，包括: 第一模擬低通濾波器將基準(zhǔn)信號的高頻噪聲部分濾除以提高基準(zhǔn)信號的信噪比，得到基準(zhǔn)模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器，以及，第二模擬低通濾波器將待測信號的高頻噪聲部分濾除以提高待測信號的信 噪比，得到待測模擬信號，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器； 所述AD轉(zhuǎn)換器將基準(zhǔn)模擬信號轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)數(shù)字信號，以及，將待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號； 所述核心算法運算電路測量所述基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，將所述正交信號與基準(zhǔn)數(shù)字信號混頻、降頻為基準(zhǔn)直流信號，再經(jīng)反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地信號的相位差;以及，將所述正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為待測直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測信號與本地信號的相位差Φι，計算小)3與之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: RS232通信模塊將核心算法運算電路得到的待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差發(fā)送至計算機(jī)或其他設(shè)備。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于， 所述核心算法運算電路包括頻率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器、第四低通濾波器、第一反正切運算器、第二反正切運算器和減法器； 所述核心算法運算電路測量所述基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，將所述正交信號與基準(zhǔn)數(shù)字信號混頻、降頻為基準(zhǔn)直流信號，再經(jīng)反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地信號的相位差;以及，將所述正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為待測直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測信號與本地信號的相位差Φι，計算小)3與之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差的步驟包括:所述頻率計對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號進(jìn)行測量，得到基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，并將所述初始頻率反饋至本地振蕩器； 所述本地振蕩器根據(jù)得到的初始頻率產(chǎn)生正交的余弦信號和正弦信號，將所述余弦信號分別發(fā)送至第一乘法器和第三乘法器，將所述正弦信號分別發(fā)送至第二乘法器和第四乘法器； 所述第一乘法器將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第一低通濾波器；所述第一低通濾波器將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號，發(fā)送至第一反正切運算器； 所述第二乘法器將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的基準(zhǔn)數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第二低通濾波器；所述第二低通濾波器將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號，發(fā)送至第一反正切運算器； 所述第三乘法器將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第三低通濾波器；所述第三低通濾波器將第三乘法器發(fā)送的信號降頻為第三直流信號，發(fā)送至第二反正切運算器； 所述第四乘法器 將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第四低通濾波器；所述第四低通濾波器將第四乘法器發(fā)送的信號降頻為第四直流信號，發(fā)送至第二反正切運算器； 所述第一反正切運算器將所述第二直流信號和第一直流信號進(jìn)行反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差 所述第二反正切運算器將所述第四直流信號和第三直流信號進(jìn)行反正切運算得到待測信號與本地振動器輸出的本地信號的相位差Φι; 所述減法器計算小13與之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差，并輸出。
7.如權(quán)利要求4 6中任意一項所述的方法,其特征在于， 所述核心算法運算電路還可包括頻率反饋控制器； 所述方法還包括: 所述頻率反饋控制器計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振蕩器信號的頻率，使本地振蕩器信號的頻率跟隨基準(zhǔn)信號的變化。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位差的數(shù)字相位計及其方法，所述數(shù)字相位計包括第一模擬低通濾波器、第二模擬低通濾波器、AD轉(zhuǎn)換器和核心算法運算電路，第一模擬低通濾波器和第二模擬低通濾波器分別將基準(zhǔn)信號和待測信號的高頻噪聲部分濾除；AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；核心算法運算電路測量基準(zhǔn)數(shù)字信號的初始頻率，產(chǎn)生正交信號，將正交信號分別與基準(zhǔn)數(shù)字信號和待測數(shù)字信號混頻、降頻為基準(zhǔn)直流信號，再經(jīng)反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地信號的相位差φa以及待測信號與本地信號的相位差φb，計算φb與φa之間的差值，得到待測信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差。本發(fā)明可廣泛的用于測量信號間的相位差，尤其是高精度的測量相位差。
文檔編號G01R25/00GK103217578SQ20131014597
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者劉河山, 靳剛, 董玉輝, 李玉瓊, 羅子人 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所