CN102809690B - 一种发射极耦合正弦积分鉴相器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发射极耦合正弦积分鉴相器，包括发射极耦合电平控制电路、互锁开关控制电路、积分电路、积分时间控制信号源和线圈耦合电路；发射极耦合电平控制电路的信号输入端与积分时间控制源的信号输出端相连，信号输出端与互锁开关控制电路的控制输入端相连；互锁开关控制电路的信号输入端接线圈耦合电路的输出端，互锁开关控制电路的信号输出端通过第一开关与积分电路的信号输入端连接；积分电路的信号输出端为鉴相结果输出端；线圈耦合电路中包括耦合变压器，耦合变压器的初级接被检测信号。还涉及本发明的发射极耦合正弦积分鉴相器的相位检测方法。本发明抗干扰能力强、精度高，对频率较高的信号也能保持较高的精确度。

Description

一种发射极耦合正弦积分鉴相器及检测方法

技术领域

本发明属于模拟电路技术领域，特别涉及一种发射极耦合正弦积分鉴相器及检测方法。

背景技术

相位信息是正弦信号的重要参数之一，在一些测量技术中常涉及到微弱信号的采集，实际的传感器或者仪器在采集过程中，自身的固有正弦震荡信号非常容易淹没在噪声中。如何提取有用正弦信号的相位是重要的技术难题，鉴相器即为解决此问题的关键。同时鉴相器被广泛的应用于稳定频率发生***中，例如锁相环。锁相环由三大部分组成：鉴相器，低通滤波器，压控振荡器。鉴相器在其中起到保证锁相环稳定工作的作用。因此鉴相器的精确与否直接影响到锁相环的工作状态。

现阶段鉴相器技术主要有相位转换时间鉴相法、数值取样鉴相法、数值相关鉴相法过零时间差检测鉴相法等。目前鉴相技术主要存在的问题是误差较大且电路复杂。

相位转换时间鉴相法原理是先将被鉴相信号和经过移相网络后的信号进行过零比较，通过整形电路转变成TTL电平的方波，然后通过单片机对时间间隔的计数测量，得到相位信息，此方法的主要缺点是在波形变换过程难免对原有信号的相位信息有失真。其次当被鉴相信号频率较高是，测得相位误差比较大。

数值取样鉴相法的原理是采取同步采样两路输入信号的取样值，经过对瞬态幅值的比较处理的到相位信息。此种鉴相方法会随着采样点的增加，对频率比较低的信号有较高的准确度。但是当信号频率较高是，A/D采样速度是制约此方法的主要问题，而且要求两路信号要求严格同步，所以大大地增加了误差和错误率。

数值相关鉴相法有两路信号，一路信号的初相位为零，此信号通过过零比较器，输出控制A/D的启动，微控制器MCU通过相关控制电路对A/D变换器控制采样被测信号相关信息。此方法缺点是必须已知被测信号的频率，从而发生同频率的正弦信号。两信号的误差直接影响测量的相位误差。

过零时间差检测鉴相法根据检测两个信号的过零时间不同，确定过零时间之间的差，同时与信号周期进行比较，从而获得相位信息。该方法简洁、原理简单，但是测量过程受很多因素影响，例如噪声干扰，信号的耦合，时钟分辨率，比较器的性能等等。从而测量结果有很大的不确定性，测量精度较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有鉴相器抗干扰能力差、精度低等不足，本发明提供了一种基于发射极耦合正弦积分鉴相器及检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种发射极耦合正弦积分鉴相器，包括发射极耦合电平控制电路、互锁开关控制电路、积分电路、积分时间控制信号源模块和线圈耦合电路；所述的发射极耦合电平控制电路的信号输入端与积分时间控制源的信号输出端相连，发射极耦合电平控制电路的信号输出端与互锁开关控制电路的控制输入端相连；互锁开关控制电路的信号输入端接线圈耦合电路的输出端，互锁开关控制电路的信号输出端通过第一开关与积分电路的信号输入端连接；所述的积分电路的信号输出端为鉴相结果输出端；所述的线圈耦合电路中包括耦合变压器，耦合变压器的初级接被检测信号。

所述的耦合变压器的初级与次级耦合线圈匝比为1:2，次级的中心抽头接0V；所述的互锁开关控制电路具有两个控制输入端、两个信号输入端和一个信号输出端，所述的两个信号输入端分别与耦合变压器的次级线圈的两个信号输出端连接；所述的发射极耦合电平控制电路具有一个信号输入端和两个信号输出端，所述发射极耦合电平控制电路的两个信号输出端分别连接互锁开关控制电路的两个控制输入端。

所述的发射极耦合电平控制电路由一个单端输入双端输出的第一差分放大电路和一个双端输入双端输出的第二差分放大电路组成，所述的第一差分放大电路的信号输入端与积分时间控制信号源模块的信号输出端连接，两个信号输出端分别与所述的第二差分放大电路的两个信号输入端连接，所述的第二差分放大电路的两个信号输出端为发射极耦合电平控制电路的信号输出端。

所述的积分时间控制信号源模块由D触发器、积分时间控制信号源、数字时钟电路、第一限流电阻R1组成，所述的D触发器的时钟端连接数字时钟电路，数据端连接积分时间控制信号源，D触发器的同相输出端与第二限流电阻R1连接，第二限流电阻R1的另一端连接发射极耦合电平控制电路的输入端；所述的积分时间控制信号源模块的输出信号为方波，方波的占空比为50%。

所述的积分电路由积分电容、并联在积分电容两端的第二开关、积分运算放大器和电压跟随器组成，积分电容一端与积分运算放大器的反向端连接，另一端与电压跟随器的输出连接；积分运算放大器的反相端与第一开关连接，同相端接地，输出端通过第二限流电阻与电压跟随器的同相端相连，电压跟随器的反向端与其自身的输出端相连；电压跟随器的输出端为鉴相结果输出端。

可以设置微处理器来控制所述的第二开关KB2，用于控制积分电容放电。

一种发射极耦合正弦积分鉴相器的相位检测方法，包括以下步骤：

（a）设置积分时间控制源的频率或者周期；

（b）先断开用于积分控制的第一开关，并且将积分器运算放大器的反向端接0V，调整积分运算放大器的参考电压，使积分运算放大器的失调电压调到最低；

（c）闭合第二开关，对积分电容进行彻底放电，使积分电容上的初始电荷量为最低；

（d）断开第二开关，闭合第一开关，此时积分电路的输出端输出的即为包含被检测信号的相位信息的电压值；

（e）采集积分电路输出的电压值，经计算可得出被检测信号的相位。

步骤（a）中，积分时间控制源的输出信号为占空比50%的方波。

步骤（a）中，积分时间控制源的输出信号与被检测信号为同频或者同周期。

本发明的有益效果是，本发明一种发射极耦合正弦积分鉴相器及检测方法，具有以下优点：

（1）射极耦合电平转换电路工作在非饱和状态下，需要的逻辑摆幅较小，从而大大降低JEFT的切换的时延；而传统鉴相器的误差很大一部分来自于状态转换所带来的时延误差。

（2）第二差分放大电路组成差分形式的，有效地降低共模信号的干扰，降低了JEFT误动作的几率，从而降低积分的误差，提高相位检测的精度。

（3）传统鉴相器对于较高的频率信号误差较大，而本发明所设计的方法不涉及采样点与采样速率的问题，同时不涉及对原有信号的变形，大大地减小了不确定误差，所以对频率较高的信号也能保持较高的精确度。

（4）传统鉴相器的信号调理产生的时延和信号的不同步是影响相位误差的主要因素之一，本发明采用线圈耦合方式对信号进行调理，大大提高了信号的传递速度，因此，在信号传输方面大大减少由于信号不同步产生的误差。

（5）现有的鉴相器必须提供同频的调理信号，而本发明的积分时间控制源的信号并不必与被检测信号同频，只需积分时间控制源信号的频率已知，同样可以实现鉴相。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的电路原理图。

图2为积分控制开关以及积分电容放电开关控制信号的示意图。

图中1、发射极耦合电平控制电路，2、JEFT组成的互锁开关控制电路，3、积分电路，4、开关控制积分及积分电容放电电路，5、积分时间控制信号源模块，6、线圈耦合电路。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明的电路原理图。一种发射极耦合正弦积分鉴相器，包括发射极耦合电平控制电路1、互锁开关控制电路2、积分电路3、积分时间控制信号源模块5和线圈耦合电路6；发射极耦合电平控制电路1的信号输入端与积分时间控制源5的信号输出端相连，发射极耦合电平控制电路1的信号输出端与互锁开关控制电路2的控制输入端相连；互锁开关控制电路2的信号输入端接线圈耦合电路6的输出端，互锁开关控制电路2的信号输出端通过第一开关KB1与积分电路3的信号输入端连接；积分电路3的信号输出端为鉴相结果输出端。

所述的线圈耦合电路由耦合变压器、限流电阻R11、R12组成。耦合变压器的初级接被检测信号，耦合变压器的初级与次级耦合线圈匝比为1:2，次级的中心抽头接0V，在次级线圈的两头分别接R11、R12，在R11、R12的另一端分别输出同相的被检测信号和反向的被检测信号。

互锁开关控制电路2具有两个控制输入端、两个信号输入端和一个信号输出端，所述的两个信号输入端分别与耦合变压器的次级线圈的两个信号输出端连接；发射极耦合电平控制电路1具有一个信号输入端和两个信号输出端，所述发射极耦合电平控制电路1的两个信号输出端分别连接互锁开关控制电路2的两个控制输入端。

互锁开关控制电路2由四个N沟道的结型场效应管组成，分别为Q6、Q7、Q8、Q9。Q6的栅极与三级管Q3的集电极相连，并且与Q7的栅极相连，源极与第一开关KB1相连，并且与Q8的源极相连，漏极与反向被检测信号相连，并且与Q9的漏极相连；Q7的漏极与同相被检测信号相连，并且与Q8的漏极相连，源极接0V；Q8、Q9的栅极与三极管Q4的集电极相连，Q8漏极与同相被测信号相连，源极与第一开关KB1相连；Q9的源极极0V。

发射极耦合电平控制电路1由一个单端输入双端输出的第一差分放大电路和一个双端输入双端输出的第二差分放大电路组成，第一差分放大电路的信号输入端与积分时间控制信号源模块5的信号输出端连接，第一差分放大电路的两个信号输出端分别与第二差分放大电路的两个信号输入端连接，第二差分放大电路的两个信号输出端为发射极耦合电平控制电路1的信号输出端。

发射极耦合电平控制电路1由r1、r2、r3、r4构成的分压电路，限流电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，三极管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5组成电平转换主要电路构成。分压电路为三级管提供直流偏置，限流电阻R2、R4、R5、R6、R7、R8、R9调整三级管的静态工作点。从而使三极管工作在非饱和区，减少电平切换所产生的摆幅。三极管Q1的基极与限流电阻R1的一端相连，Q1的发射极与三极管Q2的发射极相连，并且与限流电阻R2一端相连，R2的另一端与正12V相连，三极管Q1的集电极与限流电阻R4的一端相连，并且与限流电阻R6的一端相连，R6的另一端与负12V相连，R4的另一端与限流电阻R5一端相连，并且与Q2的集电极相连，R5的另一端与负12V相连。Q2的基极与限流电阻R3一端相连，R3的另一端与分压电阻r1、r2一端相连，r1的另一端接正12V，r2接0V；滤波电容C1并联在r2两端；限流电阻R4的一端接三极管Q3的基极，R4另一端接三极管Q4的基极；Q3的发射极与Q4的发射极相连，并且与三极管Q5的集电极相连，Q3的集电极与限流电阻R8一端相连，并且与互锁开关控制电路2相连，R8另一端接0V。Q4的集电极与限流电阻R9一端相连，并且与互锁开关控制电路2相连，R9另一端接0V；三极管Q5的发射极与限流电阻R7的一端相连，另一端与负12V相连，基极与限流电阻R10一端相连，R10另一端与分压电阻r3、r4相连，r3另一端接0V，r4的另一端接负12V。滤波电容C2并联在r4两端。

积分时间控制信号源模块5由D触发器、积分时间控制信号源、数字时钟电路、第一限流电阻R1组成，D触发器的时钟端连接数字时钟电路，数据端连接积分时间控制信号源，D触发器的同相输出端与限流电阻R1连接，限流电阻R1的另一端连接发射极耦合电平控制电路1的输入端，D触发器的清零端和预置端接正5V；积分时间控制信号源模块5为占空比为50%的方波，积分时间控制信号源模块5输出信号的周期与被检测信号的周期相同。

积分电路3由积分电容C3、并联在积分电容C3两端的第二开关KB2、积分运算放大器U1和电压跟随器U2组成，积分电容C3一端与积分运算放大器U1的反向端连接，另一端与电压跟随器U2的输出连接；积分运算放大器U1的反相端与第一开关KB1连接，同相端接地，输出端通过第二限流电阻R13与电压跟随器U2的同相端相连，电压跟随器U2的反向端与其自身的输出端相连；电压跟随器U2的输出端为鉴相结果输出端。

可以设置微处理器来控制第二开关KB2，用于控制积分电容放电。

一种发射极耦合正弦积分鉴相器的相位检测方法，包括以下步骤：

（a）设置积分时间控制源5的频率或者周期，积分时间控制源5输出信号为占空比50%的方波，积分时间控制源与被检测信号为同频或者同周期；

（b）先断开用于积分控制的第一开关KB1，并且将积分器运算放大器的反向端接0V，调整积分运算放大器的参考电压，使积分运算放大器的失调电压调到最低；

（c）闭合第二开关KB2，对积分电容进行彻底放电，使积分电容上的初始电荷量为最低；

（d）断开第二开关KB2，闭合第一开关KB1，此时积分电路3的输出端输出的即为包含被检测信号的相位信息的电压值；

（e）采集积分电路3输出的电压值，经计算可得出被检测信号的相位。

本实施例的原理如下：

输入被检测信号为周期为T，通过线圈耦合电路6，耦合变压器的初级与次级比为n1:n2=1:2，且次级线圈的中心抽头接0V，设在次级线圈的两端输出信号为Signal-、Signal+：

Signal+=Vi=Asin(ωt+φ)；

Signal-=-Vi=-Asin(ωt+φ)。

发射极耦合电平控制电路1的开关周期为T，占空比为50%，输出电压在前半周期Q4的集电极输出为-9V，Q3集电极输出0V。在后半周期Q4的集电极输出为0V，Q3集电极输出为-9V。

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ctr}4}=-9V\\ V_{\mathrm{ctr}3=0V}\end{array}\right.0\≤t\≤\frac{T}{2};$

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ctr}4}=0V\\ V_{\mathrm{ctr}3=-9V}\end{array}\right.\frac{T}{2}\≤t\≤T.$

当V_ctr4=-9V、V_ctr3=0V，Q6、Q7同时导通，Q8、Q9截止，Signal+为积分电路3的输入。同理当V_ctr4=-9V、V_ctr3=0V，Q6、Q7同时截止，Q8、Q9截止，Signal-为积分电路3的输入。那么积分电路3的输入信号为

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{in}}=\mathrm{Signal}+& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ V_{\mathrm{in}}=\mathrm{Singnal}-& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right..$

第一开关KB1与第二开关KB2的控制信号如图2所示，KB1为控制积分的开关信号，KB2为控制积分电容放电的开关信号。在t0～t1时间里，断开积分开关，对积分运算放大器进行校正。在t1～t2时间里，第二开关KB2闭合，对积分电容进行放电，然后断开第二开关KB2。在t3～t4时间里，进行积分，对被检测信号进行相位检测。

经过一个周期的积分时间控制信号，积分结果如下，设Vout为积分器的输出，可得

所以进一步可以运算出相位信息：

进而实现了正弦信号的相位信息的检测。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种发射极耦合正弦积分鉴相器，其特征在于：包括发射极耦合电平控制电路（1）、互锁开关控制电路（2）、积分电路（3）、积分时间控制信号源模块（5）和线圈耦合电路（6）；所述的发射极耦合电平控制电路（1）的信号输入端与积分时间控制信号源模块（5）的信号输出端相连，发射极耦合电平控制电路（1）的信号输出端与互锁开关控制电路（2）的控制输入端相连；互锁开关控制电路（2）的信号输入端接线圈耦合电路（6）的输出端，互锁开关控制电路（2）的信号输出端通过第一开关（KB1）与积分电路（3）的信号输入端连接；所述的积分电路（3）的信号输出端为鉴相结果输出端；所述的线圈耦合电路（6）中包括耦合变压器，耦合变压器的初级接被检测信号。

2.如权利要求1 所述的一种发射极耦合正弦积分鉴相器，其特征在于：所述的耦合变压器的初级与次级耦合线圈匝比为1:2，次级的中心抽头接0V；所述的互锁开关控制电路（2）具有两个控制输入端、两个信号输入端和一个信号输出端，所述的两个信号输入端分别与耦合变压器的次级线圈的两个信号输出端连接；所述的发射极耦合电平控制电路（1）具有一个信号输入端和两个信号输出端，所述发射极耦合电平控制电路（1）的两个信号输出端分别连接互锁开关控制电路（2）的两个控制输入端。

3.如权利要求2 所述的一种发射极耦合正弦积分鉴相器，其特征在于：所述的发射极耦合电平控制电路（1）由一个单端输入双端输出的第一差分放大电路和一个双端输入双端输出的第二差分放大电路组成，所述的第一差分放大电路的信号输入端与积分时间控制信号源模块（5）的信号输出端连接，第一差分放大电路的两个信号输出端分别与所述的第二差分放大电路的两个信号输入端连接，所述的第二差分放大电路的两个信号输出端为发射极耦合电平控制电路（1）的信号输出端。

4.如权利要求2-3 中任一项所述的一种发射极耦合正弦积分鉴相器，其特征在于：所述的积分时间控制信号源模块（5）由D 触发器、积分时间控制信号源、数字时钟电路、第一限流电阻R1 组成，所述的D 触发器的时钟端连接数字时钟电路，数据端连接积分时间控制信号源，D 触发器的同相输出端与第一限流电阻R1 连接，第一限流电阻R1 的另一端连接发射极耦合电平控制电路（1）的输入端；所述的积分时间控制信号源模块（5）的输出信号为方波。

5.如权利要求1 所述的一种发射极耦合正弦积分鉴相器，其特征在于：所述的积分电路（3）由积分电容、并联在积分电容两端的第二开关（KB2）、积分运算放大器和电压跟随器组成，积分电容一端与积分运算放大器的反向端连接，另一端与电压跟随器的输出连接；积分运算放大器的反相端与第一开关（KB1）连接，同相端接地，输出端通过第二限流电阻R13 与电压跟随器的同相端相连，电压跟随器的反向端与其自身的输出端相连；电压跟随器的输出端为鉴相结果输出端。

6.如权利要求5所述的一种发射极耦合正弦积分鉴相器的相位检测方法，其特征在于包括以下步骤：

（a）设置积分时间控制信号源模块（5）的频率或者周期；

（b）先断开用于积分控制的第一开关（KB1），并且将积分器运算放大器的反向端接0V，调整积分运算放大器的参考电压，使积分运算放大器的失调电压调到最低；

（c）闭合第二开关（KB2），对积分电容进行彻底放电，使积分电容上的初始电荷量为最低；

（d）断开第二开关（KB2），闭合第一开关（KB1），此时积分电路（3）的输出端输出的即为包含被检测信号的相位信息的电压值；

（e）采集积分电路（3）输出的电压值，经计算可得出被检测信号的相位。

7.如权利要求6 所述的一种发射极耦合正弦积分鉴相器的相位检测方法，其特征在于：步骤（a）中，积分时间控制信号源模块（5）的输出信号为占空比50%的方波。

8.如权利要求6 所述的一种发射极耦合正弦积分鉴相器的相位检测方法，其特征在于：步骤（a）中，积分时间控制信号源模块（5）的输出信号与被检测信号为同频。