[发明专利]一种数字鉴相的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字鉴相的方法及其装置。

背景技术

测量系统中，经常把被测物理量转换成同频率的两个有相位差的信号，通过测量这两个信号的相位差，达到测量被测物理量的目的。很多情况下，把被测物理量转换成同频率的两个有相位差的信号比较容易，而要测准这两个信号的相位差却并不容易。特别是两个信号的相位差很小时，比如小到皮秒级，甚至飞秒级时，常规测量相位差的手段将会失效。

测量两个信号的相位差也叫鉴相，鉴相的方法有多种。鉴相的实现过程就是，提供一个输出信号，使该输出信号的某项参数与两个被测信号的相位差有确定关系的过程。实现鉴相功能的装置称为鉴相器。鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两种。

典型的模拟鉴相器测量相位差的方法是，把两个被测信号的相位差转换成脉冲信号，再对脉冲信号积分，然后用AD对积分信号进行采样并对采样结果进行处理，输出测量结果。当两个被测信号的相位差很小时，开关器件速度达不到要求，不能得到有效的反应两个被测信号相位差的脉冲信号，鉴相器失效。

典型的数字鉴相器测量相位差的方法是，通过一个逻辑门电路处理两个被测信号，此门电路输出的门脉冲信号的时间宽度和两个被测信号的相位差之间是确定关系，用计数器对此输出信号进行计数。当两个被测信号的相位差很小时，也会出现所述模拟鉴相器开关时间不够，不能得到有效的反应两个被测信号相位差的门脉冲信号的问题，鉴相器失效。

上述两种鉴相方法的实质是，直接对两个被测信号进行运算，它们的缺陷是，当两个被测信号相位差很小时，器件受到制作工艺限制，无法表达出有效的反应两个被测信号相位差的输出信号，例如，假设器件的响应速度(用上升沿宽度表达)是1ns，如果两个被测信号的相位差是0.1ns，器件无法输出0.1ns的脉冲信号，通过所述器件对两个被测信号进行运算，将无法得到有效的反应两个被测信号相位差的输出信号，鉴相器失效。

目前器件的制作工艺已经达到纳秒级的响应速度，要达到纳秒级的测量精度，直接测量就可以实现；但是器件的响应速度要有较大幅度的提升已经比较困难，所以要达到更高的测量精度，如皮妙级、飞秒级，单纯靠提高器件的响应速度来改善测量精度的方法，实施起来比较困难。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种数字鉴相的方法及其装置，不直接对两个被测信号进行运算，而是引入一个鉴相时钟，在鉴相时钟边沿到来的瞬时，同时分别将所述两个被测信号锁存；待锁存输出信号稳定后，判断两个锁存输出信号的电平高低是否不同，即判断在所述鉴相时钟边沿到来的瞬时是否检测到了所述两个被测信号的相位差；重复上述检测过程多次，在多次检测过程中检测到所述两个被测信号相位差的次数就是测量值，然后根据该测量值计算相位差；计算相位差时可以采用线性变换，也可以采用非线性变换，计算公式可以根据设备的特征进行标选定。

所述鉴相时钟和所述两个被测信号的频率互相不成整数倍，从而使所述鉴相时钟和所述两个被测信号之间形成一种差拍关系，该差拍关系的存在使得各次鉴相时钟边沿到来的瞬时，在所述两个被测信号的不同周期，检测到所述两个被测信号的不同相位位置；由于器件制作工艺的原因，每次检测不一定发生在所述差拍关系确定的期望相位检测点，而是有一定的随机性偏差。

所述鉴相时钟周期长度和所述两个被测信号周期长度的最大公约数，即所述鉴相时钟能分辨的所述两个被测信号的最小相位单位；用该最小相位单位除以所述两个被测信号的周期长度，即得到满量程误差，一般用千分比表示；用所述两个被测信号的周期长度除以所述鉴相时钟周期长度和所述两个被测信号周期长度的最大公约数，即用所述两个被测信号的周期长度除以所述鉴相时钟能分辨的所述两个被测信号的最小相位单位，即得到所述鉴相时钟在所述两个被测信号的一个周期内可以检测到所述两个被测信号不同相位位置的个数。