[发明专利]一种鉴相电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种电路，尤其是一种鉴相电路。

背景技术

在现代信号测量和分析领域，对两路信号之间的相位差进行精确测量非常重要。使用普通模拟或数字示波器测量两路信号之间的相位差不甚方便，然而高性能示波器的价格昂贵，对于一般用户并非最佳选择。

随着微处理器，集成电路和可编程器件的迅速发展，在测控系统中，越来越多的传统的测量方法被数字化测量方法所取代。近年来，复杂可编程逻辑器件在数字信号处理中得到了广泛应用。本发明使用了一种基于复杂可编程逻辑器件来测量相位差的方法。这种方法可以提高测试精度，减少硬件，充分提高了测控系统设计灵活性，提高了测控系统的可靠性和可维护性，在相位差自动测量中具有良好的应用前景。

工程实践中，设计人员测量相位差最常用的方法(图1)是检测信号过零时刻的时间差(即相位差对应脉冲的宽度)，利用单片机测出时间差，通过计算从而获得相位差。该方法思路简洁直观，原理易于理解，得到了广泛应用。但是，其缺点较多，例如输入信号容易受噪声干扰；信号在频率较低时，交流耦合对相位的影响明显；计时基准即时钟频率必需足够高才能保证较高测量精度；测量误差不是等精度的。

目前常用的鉴相电路的结构可参见图1所示，其各个信号的波形可参见图2所示，包括比较器，异或门，单片机。对输入的参考信号Fr和测量信号Fv经过过零比较后变成两路方波信号R，V，将整形后的两路信号通过异或逻辑输出一路脉宽与相位差对应的脉冲信号，直接利用单片机测出相位差Pha。

对于上述鉴相电路，其缺点是缺乏有效的波形整形；存在边缘抖动，会加大测量误差；测量误差不是等精度的。

上述鉴相电路及其两路信号相位差测量方法中，如果能提高单片机晶振频率，则鉴相电路的相位差测量精度将会得到提高，但是由于单片机能够接受的晶振频率有限，最大频率值往往只有几十兆赫兹。而且该鉴相器测量相位差的精度将随着待测量信号输入频率提高而降低。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种鉴相电路。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

本发明包括比较器、数字鉴相器、滤波器和差分放大器。比较器将两路正弦信号转换为两路与之对应的方波，数字鉴相器将两路方波的相位差转化为两路脉宽不同的脉冲之间的脉宽差，滤波器将所述两路脉冲分别转换成与之对应的直流电平信号，两路直流电平经过差分放大器得到的电压信号与相位差是一种线性关系。通过测量差分放大器输出的电压进而得到两路信号相位差。

相比传统的相位测量方法，本发明能够有效地提高测量精度和扩展测量量程，并减少影响测量误差的因素，提高测量系统的可靠性和可维护性。

附图说明

图1为现有的鉴相电路的结构示意图。

图2为现有的鉴相电路中各信号的波形图。

图3为本发明鉴相电路的结构示意图。

图4为本发明鉴相电路中比较器的电路原理图。

图5为本发明鉴相电路中数字鉴相器的结构示意图。

图6为本发明数字鉴相器在输入信号R的相位超前V时各信号的波形图。

图7为本发明数字鉴相器在输入信号R的相位滞后V时各信号的波形图。

图8为本发明鉴相电路中滤波器的电路原理图。

图9为本发明鉴相电路中差分放大器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

如图3所示，本发明公开了一种鉴相电路，包括比较器、数字鉴相器、滤波器和差分放大器。比较器向数字鉴相器传输两路方波信号R、V，两路方波信号的周期分别为参考信号Fr的周期（参考信号Fr和测量信号Fv的周期相同）。数字鉴相器向滤波器传输两路脉冲信号U、D，两路脉冲信号的脉宽差为前面的方波信号R、V的时间差，即相位差脉冲的宽度。滤波器向差分放大器传输两路直流电压信号Vu、Vd，两路直流电压信号大小分别为前面的脉冲信号U、D的电压平均值。差分放大器输出的电压信号Vdiv，电压信号Vdiv大小分别为前面的两路直流电压信号Vu、Vd的电压值之差。本发明数字鉴相器采用高速CPLD设计，有效的提高相位差测量精度和系统设计的灵活性。

比较器将两路正弦信号转换为两路与之对应的方波，数字鉴相器将两路方波的相位差转化为两路脉宽不同的脉冲之间的脉宽差，滤波器将所述两路脉冲分别转换成与之对应的直流电平信号，两路直流电平经过差分放大器得到的电压信号与相位差是一种线性关系。通过测量差分放大器输出的电压即可得到两路信号相位差。