CN101907656A - 利用固定相移来测量同频信号相位差的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，包括：将两个同频率的只含有齐次谐波分量的原信号，即基准信号与测量信号分别经过相同的相移，得到两个延时后的信号；将经过相同相移的两个延时后的信号与基准信号和测量信号比较幅值，在每个交点前、后引入一对正负阈值求得两个时间点，取两个时间点的中心得到交点的时间；重复步骤2，在一个半波周期内求得一个或一系列的交点时间，取最中间的交点时间近似为原信号在此半波周期内的顶点时间；根据在每个半波周期内获得的顶点时间，将基准信号与测量信号整形成为两个矩形波信号，然后将得到的两个矩形波信号做异或操作得到脉冲信号，该脉冲信号的宽度即为基准信号的顶点与测量信号的顶点的时间差；将时间差换算即为被测相位差值。

Description

利用固定相移来测量同频信号相位差的方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别是一种利用固定相移来测量同频信号相位差的方法。

背景技术

同频率周期信号的相位差测量在信号分析、电路参数测试、电工技术、工业自动化、智能控制、通信及电子技术等许多领域都有着广泛的应用，如交流电路中阻抗角的计算、电能计量中功率因数角的确定等。

相位差的测量方法较多：传统的依靠模拟器件的方法，如矢量法、二极管鉴相法、脉冲计数法等，测量***复杂，需要专用器件，硬件成本高；近年来，计算机和数字信号处理技术取得长足进步，相位差测量逐渐向数字化方向发展，数字化测量的优点在于硬件成本低、适应性强，对于不同的测量对象只需改变程序的算法，且精度一般优于模拟式测量。

相位差数字化测量方法按实现途径可分为硬件法和软件法两大类。硬件法通过硬件电路测量两个信号的周期及初相位的时间差，由软件将时间差变换为相位差显示，需要对两个同频率等幅正弦信号的瞬时值同时采样，如矢量法、乘法器法及各种鉴相法。软件法按照信号处理的方式分类，可分为两大类：一类是时域处理方法，即信号的所有处理都是在时域内进行，如取样积分方法和互相关方法；另一类是频域处理方法，即将信号变换到频域，然后按照信号的频谱特性对信号进行处理，如DFT法。

时域处理方法的本质在于两个同频率的正弦信号的相位差可以用它们相应的过零点的时间差来表征，其最大优点是信号处理方法简单、直观、物理意义明显、易于用硬件实现，缺点是效率低，估计值的精确度依赖于观测值的长度，仅能对单正弦信号进行估计。当信号受谐波或噪声干扰时，过零点法的相位差测量误差将会很大；基于数字相关原理的相位差测量方法有很好的噪声抑制能力，但该方法要求对周期信号实行严格整周期采样，且难以消除谐波干扰；基于自适应带通滤波器和测量信道交换技术的相位差测量方法虽然能部分的消除谐波或噪声的干扰，但它只适合于低频信号相位差的测量。

基于DFT的频域估算方法，充分利用了DFT对信噪比的改善作用，克服了时域方法要求较高信噪比的缺点，能有效地抑制噪声，提高测量精度。对信号进行DFT处理时，由于只对有限个时域信号样本值进行处理，即信号函数在时域被矩形函数加窗截短，FFT和谱分析也只能在有限区间内进行，这就不可避免地存在由于时域截断产生的能量泄漏，使谱峰值变小，频率和相角偏移真实值，测量精度降低，在频域中产生较大的旁瓣分量，即为DFT的泄漏效应。总的来说，由于傅里叶变换实际上是一种时域与频域的映射关系，在理论上是没有相位差测量误差的，测量误差主要来源于信号时域的截断效应、实际信号间的频率偏差以及受到谐波或噪声的干扰而产生的误差。DFT法一般认为也需要严格整周期采样，否则其精度受频谱泄漏和栅栏效应影响。此外，该方法也易受谐波干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用固定相移来测量同频信号相位差的方法，为了克服现有测量方法的不足，在过零点法和前人提出的利用固定相移来测量同频信号相位差的方法的基础之上，提出一种新的在时域处理测量相位差问题的方式。采用本发明的方法，可以排除过零干扰的缺陷，避免通常为减少噪声干扰而引入迟滞比较器带入的延时误差实现高精度测量，并且不用考虑信号幅度对测量的影响。

本发明的技术方案是：

本发明提供一种利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，包括：

步骤1：将两个同频率的只含有齐次谐波分量的原信号，即基准信号与测量信号分别经过相同的相移，得到两个延时后的信号；

步骤2：将经过相同相移的两个延时后的信号与基准信号和测量信号比较幅值，在每个交点前、后引入一对正负阈值求得两个时间点，取两个时间点的中心得到交点的时间；

步骤3：重复步骤2，在一个半波周期内求得一个或一系列的交点时间，取最中间的交点时间近似为原信号在此半波周期内的顶点时间；

步骤4：根据在每个半波周期内获得的顶点时间，将基准信号与测量信号整形成为两个矩形波信号，然后将得到的两个矩形波信号做异或操作得到脉冲信号，该脉冲信号的宽度即为基准信号的顶点与测量信号的顶点的时间差；

步骤5：将时间差换算即为被测相位差值。

其中两个延时后的信号与基准信号和测量信号比较幅值，在每个交点前、后引入一对正负阈值的过程是：引入的正负阈值成对出现且绝对值相等，且正负阈值依检测交点的情况交替出现，也就是说在当前交点处先使用正阈值，后使用负阈值，则在下一交点处先使用负阈值，后使用正阈值；

其中求得两个时间点的过程中，当在一交点之前的一段时间内使用正阈值获得了一个时间点，接着再用负阈值检测对应的另外一个时间点的过程中又出现了正阈值检测到新的时间点的情况，应当用新的时间点修正之前的记录，反之亦然。

其中在一个半波周期内求得一个或一系列交点时，确定一个半波周期，通过迟滞比较器对基准信号与测量信号和其延时过后的信号进行加窗。

其中取最中间的交点近似为原信号的顶点时，通过原信号与其延时信号的交点来近似原信号的极点，原信号在一个半波周期内有奇数个极点，且最中间的一个极点对应原信号的顶点，以此为参考量求两信号的相位差。

其中根据在每个半波周期内获得的顶点时间，将基准信号与测量信号整形成为矩形波信号的过程是，基准信号与测量信号分别与其延时后的信号进行比较，在每个半波周期内得到一个顶点，一段时间内得到一系列顶点，将基准信号与测量信号分别整形为方波，各顶点对应方波电平跳变的时间。

本发明优点

1、本发明采用的方法是根据信号在半波周期内的极点情况进行相位差的检测，由于含有齐次谐波的信号极点离零点较远，一方面方便利用迟滞比较器加窗，另一方面可以避开信号的“振铃现象”的影响。

2、本发明在寻找每个极点时都引入了一对正负阈值，通过正负阈值找到的时间点取中心的方式避免了通常因减少噪声干扰而引入迟滞比较器带入的延时误差。同时，本发明保留了迟滞比较器的优点，具有去噪功能。

3、本发明使用范围较广，对具有高阶正弦谐波且幅值递减的信号相位差检测误差较低，实验证明对最高包含19阶正弦谐波的信号相位误差不大于0.01度。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图及实施案例对本发明详细说明如后，其中：

图1是本发明的方法流程图；

图2是寻找信号半波中心原理示意图；

图3是相位差测量整体示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示，本发明一种利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，包括：

步骤1(S10)：将两个同频率的只含有齐次谐波分量的原信号，即基准信号与测量信号分别经过相同的相移，得到两个延时后的信号。如图3所示，基准信号301和测量信号302作为相位差测量的两个对象，经过两个通路首先都通过图2所示的模块202中的延时单元，得到原信号的延时信号。本发明通过原信号与其延时信号的交点来近似原信号的极点，故延时时间不易过长。应选取合适的延时时间，如果延时时间过短则易超出电路的灵敏度，导致无法检测或漏掉极点；如果延时时间过长，一方面使得交点近似极点的误差较大，另一方面由于电路硬件的因素，引入的延时误差较大。

步骤2(S20)：将经过相同相移的两个延时后的信号与基准信号和测量信号比较幅值，在每个交点前、后引入正负阈值求得两个时间点，取两个时间点的中心得到交点的时间。

如图2中的202模块所示，当基准信号和测量信号微弱时，在延时求差电路后通常要引入一个放大电路。本发明通过不同阈值的两个比较器204和205来求得每个交点前后的两个时间点。引入的正负阈值成对出现且绝对值相等，正负阈值依检测交点的情况交替出现，也就是说在当前交点处先使用正阈值，后使用负阈值，则在下一交点处先使用负阈值，后使用正阈值。本发明中，每当求得一个交点时间后，***会发出一个阈值取反信号将比较器204和205的阈值取反以实现权利要求2对阈值要求的功能。

图2所示的两个寄存器206和207用来存储两个比较器204和205求得的两个时间点。寄存器206和207之间保持通信，即存在接口电路，当在一交点之前的一段时间内使用正阈值获得了一个时间点，接着再用负阈值检测对应的另外一个时间点的过程中又出现了正阈值检测到新的时间点的情况，应当用新的时间点修正之前的记录，反之亦然。这一修正时间点记录的过程目的是针对原信号在局部可能会出现拐点的情况：假如不修正之前的结果，在原信号某拐点的前很小一段时间内我们根据阈值对的前一阈值检测到一个时间点，直到出现另外一个拐点，或者极点后的很小一段时间内才能检测到对应的另外一个时间点，此时求中心所得到的交点时间是错误的。本发明能正确判断极点与拐点的区别并自动舍去拐点，通过正负阈值在交点附近寻找两个时间点求平均的方法避免了使用迟滞比较器去噪引入的延时误差。当测量信号波峰比较平滑时本发明测量结果较其他方法尤为显著。

本发明利用迟滞比较器203对原信号进行整形成为方波，并以方波信号的边沿来确定一个半波周期的到来与否。此处，迟滞比较器203引入了延时误差，但并不影响寻找半波顶点。求得的方波边沿信号同时也是比较器204和205阈值的初始化信号，使得本发明可以自启动。如图2所示的时钟计数器208用来标识各时间点出现的时间，每当一个半波周期结束就会清零重新开始计数。

步骤3(S30)：重复步骤2，在一个半波周期内求得一个或一系列的交点时间，取最中间的交点时间近似为原信号在此半波周期内的顶点时间。根据奇次谐波信号的对称性，只含齐次谐波正弦分量的信号在一个半波周期内必有奇数个极点，且最中间的一个极点对应标准信号的顶点，本发明以此为参考量求两信号的相位差。图2所示的两个寄存器206和207存储的两个比较器204和205求得的两个时间点，如图2所示装置209，求和，取中心得到交点时间并存储于寄存器。装置209中的寄存器在一个半波周期内将存储一个或一系列的交点时间；实验证明对于含有19次谐波的正弦信号，当比较器204和205的阈值电压取0.3伏时，一个半波内检测的交点数不大于20个，说明本发明还有硬件开支较小的优点。迟滞比较器203的输出信号延时后作为装置211的输出使能信号，同时也作为209的清零信号；一方面保证了装置211在每个半波输出且只输出一个顶点时间，另一方面装置211输出顶点时间后装置209记录的所有交点时间都清零，使得装置209中的寄存器可反复读写，节省了硬件开支。

步骤4(S40)：根据在每个半波周期内获得的顶点时间，将基准信号与测量信号整形成为两个矩形波信号，然后将得到的两个矩形波信号做异或操作得到脉冲信号，该脉冲信号的宽度即为基准信号的顶点与测量信号的顶点的时间差。如图3所示，基准信号301与测量信号302分别经过图2所示电路303和304，在每个半波周期内得到一个顶点，一段时间内得到一系列顶点，由装置305和306根据这一系列顶点时间将基准信号301与测量信号302分别整形为方波，各顶点时间对应方波电平跳变的时间。然后，将基准信号301与测量信号302整形后的两个方波信号经装置307进行异或操作，得到一系列脉宽相等的脉冲信号。

步骤5(S50)：将时间差换算即为被测相位差值。本发明通过计数器来计算由步骤4得到的脉冲信号的脉宽时间，与原信号半波经历的时间比较就可将此脉宽时间换算成相位差了。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请专利权利；同时以上的描述，对于熟知本技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，包括：

步骤1：将两个同频率的只含有齐次谐波分量的原信号，即基准信号与测量信号分别经过相同的相移，得到两个延时后的信号；

步骤2：将经过相同相移的两个延时后的信号与基准信号和测量信号比较幅值，在每个交点前、后引入一对正负阈值求得两个时间点，取两个时间点的中心得到交点的时间；

步骤3：重复步骤2，在一个半波周期内求得一个或一系列的交点时间，取最中间的交点时间近似为原信号在此半波周期内的顶点时间；

步骤4：根据在每个半波周期内获得的顶点时间，将基准信号与测量信号整形成为两个矩形波信号，然后将得到的两个矩形波信号做异或操作得到脉冲信号，该脉冲信号的宽度即为基准信号的顶点与测量信号的顶点的时间差；

步骤5：将时间差换算即为被测相位差值。

2.如权利要求1所述的利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，其中两个延时后的信号与基准信号和测量信号比较幅值，在每个交点前、后引入一对正负阈值的过程是：引入的正负阈值成对出现且绝对值相等，且正负阈值依检测交点的情况交替出现，也就是说在当前交点处先使用正阈值，后使用负阈值，则在下一交点处先使用负阈值，后使用正阈值；

3.如权利要求1所述的利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，其中求得两个时间点的过程中，当在一交点之前的一段时间内使用正阈值获得了一个时间点，接着再用负阈值检测对应的另外一个时间点的过程中又出现了正阈值检测到新的时间点的情况，应当用新的时间点修正之前的记录，反之亦然。

4.如权利要求1所述的利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，其中在一个半波周期内求得一个或一系列交点时，确定一个半波周期，通过迟滞比较器对基准信号与测量信号和其延时过后的信号进行加窗。

5.如权利要求1所述的利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，其中取最中间的交点近似为原信号的顶点时，通过原信号与其延时信号的交点来近似原信号的极点，原信号在一个半波周期内有奇数个极点，且最中间的一个极点对应原信号的顶点，以此为参考量求两信号的相位差。

6.如权利要求1所述的利用固定相移来测量同频信号的相位差的方法，其中根据在每个半波周期内获得的顶点时间，将基准信号与测量信号整形成为矩形波信号的过程是，基准信号与测量信号分别与其延时后的信号进行比较，在每个半波周期内得到一个顶点，一段时间内得到一系列顶点，将基准信号与测量信号分别整形为方波，各顶点对应方波电平跳变的时间。

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