CN117990982A - 一种基于触发器的同频信号相位测量电路、芯片及装置 - Google Patents

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吴辉喜
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Abstract

本发明公开了一种基于触发器的同频信号相位测量电路、芯片及装置,涉及集成电路设计技术领域。包括整形电路模块、触发器电路模块、数字及AD采样电路模块,所述整形电路模块包括第一整形电路、第二整形电路,所述触发器电路模块包括第一触发器电路、第二触发器电路;第一信号源经所述第一整形电路输出第一整形信号,所述第一整形电路输出端连接所述第一触发器电路的第一时钟控制端CLK1;第二信号源经所述第二整形电路输出第二整形信号,所述第二整形电路输出端连接所述第二触发器电路的第二时钟控制端CLK2;所述触发器电路模块连接数字及AD采样电路模块,数字及AD采样电路模块输出相位差。实现低成本,易实施且能达到ns级别测量精度的方法及电路设计。

Description

一种基于触发器的同频信号相位测量电路、芯片及装置
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域,尤其涉及一种基于触发器的同频信号相位测量电路、芯片及装置。
背景技术
随着科学技术的不断发展、相位作为表征着正弦信号的三要素之一,在通信技术等领域对相位的测量运用极其广泛。同时锁相环(phase locked loop PLL)电路作为一种典型的反馈控制电路,也是集成电路中不可或缺的一部分。其中,鉴频鉴相器是锁相环的一个重要组成部分。目前通用的相位检测电路方案是将待测信号转换为方波信号,通过异或门和低通滤波器组成的电路将待测信号异或后取平均。输出的电压值与相位差的绝对值成正比的关系。
在现有的相位检测电路方案中,要达到较高的测量精度,不仅各种鉴相结构较为复杂,且对器件要求及板卡布线要求较高,实施难度及成本较高。
现有技术中,如:CN101509943B所公开的一种相位检测的方法及装置,通过D触发器、逻辑电路、计数模块和比较器,复位信号对第一量化值、第二量化值进行锁存,根据第二量化值的锁存输出和第一量化值的锁存输出确定第一脉冲信号与第二脉冲信号相位关系,使得电路实现时较简单。但其测量范围和测量精度仍不够高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于触发器的同频信号相位测量电路、芯片及装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:本发明第一方面提供:一种基于触发器的同频信号相位测量电路,包括整形电路模块、触发器电路模块、数字及AD采样电路模块,所述整形电路模块包括第一整形电路、第二整形电路,所述触发器电路模块包括第一触发器电路、第二触发器电路;第一信号源经所述第一整形电路输出第一整形信号,所述第一整形电路输出端连接所述第一触发器电路的第一时钟控制端CLK1;第二信号源经所述第二整形电路输出第二整形信号,所述第二整形电路输出端连接所述第二触发器电路的第二时钟控制端CLK2;所述触发器电路模块连接数字及AD采样电路模块,所述数字及AD采样电路模块输出相位差。
优选的,所述第一整形电路包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第一二极管D1,所述第一信号源接所述第一运算放大器U1的负输入端,所述第一运算放大器的正输入端接GND、电源正输入端接VCC、电源负输入端接GND、输出端接第一电阻R1的第一端,第一电阻的第二端接第一二极管D1的阳极、第一触发器电路的第一时钟控制端CLK1,第一二极管D1的阴极接地。U1 运算放大器构成过零比较器电路,实现输入信号由正弦、锯齿、方波信号统一转换为方波脉冲信号。R1 串接电阻实现阻抗匹配,吸收反射的信号,减小干扰信号的影响。D1 TVS接地管减小瞬间脉冲、浪涌影响,避免数据信号受到不必要的噪音影响。
优选的,所述第二整形电路包括第二运算放大器U2、第二电阻R2、第二二极管D2,所述第二信号源接所述第二运算放大器U2的负输入端,所述第二运算放大器的正输入端接GND、电源正输入端接VCC、电源负输入端接GND、输出端接第二电阻R2的第一端,第二电阻的第二端接第二二极管D2的阳极、第二触发器电路的第二时钟控制端CLK2,第二二极管D2的阴极接地。
优选的,所述第一触发器电路包括第一D触发器U3、第一电容C1、第三电阻R3、第三二极管D3,所述第一D触发器U3的D端连接VCC和第二触发器电路,所述第一D触发器U3的预设端连接第二触发器电路,所述第一D触发器U3的清零端/>接第一电容C1的正极、第三电阻R3的第一端、第三二极管D3的阴极,所述第一电容C1的负极接GND,所述第三电阻R3的第二端接第一D触发器U3的/>端和第二触发器电路,所述第三二极管D3的阳极接第二触发器电路。第三电阻R3(第三电阻R3为串接电阻)、第三二极管D3和第一电容C1构成一组延时、低通滤波器。当D触发器/>端和D端均上拉至高电平VCC时,输出Q端逻辑电平仅与/>端和CLK信号上升沿有关。当CLR信号为低电平时,器件清零恢复初始状态,Q端输出低电平,端输出高电平。当CLR信号为高电平时,CLK信号上升沿来临时,会使器件Q端输出高电平,端输出低电平。CLK信号下降沿来临、高低电平时,器件Q端保持上一个状态。同时,第三电阻R3、第三二极管D3、第一电容C1构成的延时、低通滤波器,会将接入的矩形波信号积分,变为直流电压。
优选的,所述第二触发器电路包括第二D触发器U4,所述第一D触发器U3的D端和预设端连接第二D触发器U4的D端和预设端/>,所述第三电阻R3的第二端接第二D触发器U4的清零端/>,所述第三二极管D3的阳极接第二D触发器U4的清零端/>;所述第二D触发器U4的Q端和/>端接所述数字及AD采样电路模块。将第一级U3 D触发器输出/>端引至第二级U4 D触发器/>端,CLK2信号上升沿来临时,Q端输出高电平;器件/>端低电平触发时,Q端输出低电平。CLK1信号上升沿来临时,触发器模块Q端输出低电平,/>端输出高电平。CLK2信号上升沿来临时,触发器模块Q端输出高电平,/>端输出低电平。由此两个频率信号的相位关系转换为了触发器模块输出矩形脉冲的占空比大小。
优选的,所述的数字及AD采样电路模块包括微控制器MCU和N级RC滤波单元,第二D触发器U4的Q端依次串联N级RC滤波单元后连接微控制器MCU的第一采样端口AD1,所述第二D触发器U4的端依次串联N级RC滤波单元后连接微控制器MCU的第二采样端口AD2,所述微控制器MCU输出相位差。矩形脉冲的占空比转换为直流电压分量的数字电路;以及通过AD采样及相应的数据处理,将直流电压分量转换为两个同频信号的相位差。利用较高阶的RC组成高阶的低通滤波器以快速的响应占空比的变化,将脉冲信号调制为直流电压。同时利用MCU控制芯片对直流电压进行AD采样,通过数据处理将采样的电压值与相位差关系进行转换。
优选的,所述的第一D触发器U3和所述的第二D触发器U4型号为NC7SV74CN-D。
本发明第二方面提供:一种基于触发器的同频信号相位测量芯片,包括上述任一种基于触发器的同频信号相位测量电路。
本发明第三方面提供:一种基于触发器的同频信号相位测量装置,包括上述基于触发器的同频信号相位测量芯片。
本发明的有益效果是:
1)能够利用简单可靠的器件,实现及实施成本低。
2)同时两个同频信号能够达到0°~360°测量范围,能够达到ns级别测量精度。
附图说明
图1为本发明一种基于触发器的同频信号相位测量电路的示意图;
图2为本发明一种基于触发器的同频信号相位测量电路的原理图;
图3为本发明整形电路原理图;
图4为本发明整形电路实现时序图;
图5为本发明第一级D触发器电路实现时序图;
图6为本发明第二级D触发器电路实现时序图;
图7为本发明数字电路、AD采样实现结果图;
图8为本发明数字电路、AD采样电路原理图。
具体实施方式
下面将结合实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参阅图1-8,本发明第一方面提供:一种基于触发器的同频信号相位测量电路,发明示意框图如图1所示。具体原理如图2所示。包括整形电路模块、触发器电路模块、数字及AD采样电路模块,所述整形电路模块包括第一整形电路、第二整形电路,所述触发器电路模块包括第一触发器电路、第二触发器电路;第一信号源经所述第一整形电路输出第一整形信号,所述第一整形电路输出端连接所述第一触发器电路的第一时钟控制端CLK1;第二信号源经所述第二整形电路输出第二整形信号,所述第二整形电路输出端连接所述第二触发器电路的第二时钟控制端CLK2;所述触发器电路模块连接数字及AD采样电路模块,所述数字及AD采样电路模块输出相位差。
图中FRQ1为第一信号源,FRQ2为第二信号源。
在一些实施例中,所述第一整形电路包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第一二极管D1,所述第一信号源接所述第一运算放大器U1的负输入端,所述第一运算放大器的正输入端接GND、电源正输入端接VCC、电源负输入端接GND、输出端接第一电阻R1的第一端,第一电阻的第二端接第一二极管D1的阳极、第一触发器电路的第一时钟控制端CLK1,第一二极管D1的阴极接地。所述整形电路中,主要包括U1 运算放大器、R1 串接电阻、D1 TVS接地管。U1 运算放大器构成过零比较器电路,实现输入信号由正弦、锯齿、方波信号统一转换为方波脉冲信号。R1 串接电阻实现阻抗匹配,吸收反射的信号,减小干扰信号的影响。D1 TVS接地管减小瞬间脉冲、浪涌影响,避免数据信号受到不必要的噪音影响。整形电路实现方案如附图3所示,整形电路输出信号实现时序如附图4所示。
在一些实施例中,所述第二整形电路包括第二运算放大器U2、第二电阻R2、第二二极管D2,所述第二信号源接所述第二运算放大器U2的负输入端,所述第二运算放大器的正输入端接GND、电源正输入端接VCC、电源负输入端接GND、输出端接第二电阻R2的第一端,第二电阻的第二端接第二二极管D2的阳极、第二触发器电路的第二时钟控制端CLK2,第二二极管D2的阴极接地。
在一些实施例中,所述第一触发器电路包括第一D触发器U3、第一电容C1、第三电阻R3、第三二极管D3,所述第一D触发器U3的D端连接VCC和第二触发器电路,所述第一D触发器U3的预设端连接第二触发器电路,所述第一D触发器U3的清零端/>接第一电容C1的正极、第三电阻R3的第一端、第三二极管D3的阴极,所述第一电容C1的负极接GND,所述第三电阻R3的第二端接第一D触发器U3的/>端和第二触发器电路,所述第三二极管D3的阳极接第二触发器电路。
在一些实施例中,所述第二触发器电路包括第二D触发器U4,所述第一D触发器U3的D端和预设端连接第二D触发器U4的D端和预设端/>,所述第三电阻R3的第二端接第二D触发器U4的清零端/>,所述第三二极管D3的阳极接第二D触发器U4的清零端/>;所述第二D触发器U4的Q端和/>端接所述数字及AD采样电路模块。所述触发器电路中,主要包括两级带复位控制的D触发器(U3、U4),第三电阻R3、第三二极管D3和第一电容C1。第三电阻R3(第三电阻R3为串接电阻)、第三二极管D3和第一电容C1构成一组延时、低通滤波器。当D触发器预设端/>和D端均上拉至高电平VCC时,输出Q端逻辑电平仅与/>端和CLK信号上升沿有关。当CLR信号为低电平时,器件清零恢复初始状态,Q端输出低电平,/>端输出高电平。当CLR信号为高电平时,CLK信号上升沿来临时,会使器件Q端输出高电平,/>端输出低电平。CLK信号下降沿来临、高低电平时,器件Q端保持上一个状态。同时,第三电阻R3、第三二极管D3、第一电容C1构成的延时、低通滤波器,会将接入的矩形波信号积分,变为直流电压。
由此原理,第一级U3 D触发器(图2所示),CLK1信号上升沿来临时,端输出低电平,经延时、低通滤波电路触发器件/>端,使得器件清零,/>端恢复输出高电平,直到下一个CLK1上升沿来临。由RC电路构成硬件延时时间由器件阻值与容值决定。可通过校准选择合适的指标。第一级U3 D触发器电路实现时序如图5所示。将第一级U3 D触发器输出/>端引至第二级U4 D触发器/>端,CLK2信号上升沿来临时,Q端输出高电平;器件/>端低电平触发时,Q端输出低电平。以上第二级U4 D触发器电路实现时序如图6所示。U3、U4触发器链路封装为U5触发器模块时,整个模块真值表如表1所示,CLK1信号上升沿来临时,触发器模块Q端输出低电平,/>端输出高电平。CLK2信号上升沿来临时,触发器模块Q端输出高电平,/>端输出低电平。由此两个频率信号的相位关系转换为了触发器模块输出矩形脉冲的占空比大小。
表1
表1中H代表高电平、L代表低电平、X代表无效、代表上升沿、/>代表下降沿。
在一些实施例中,所述的数字及AD采样电路模块包括微控制器MCU和N级RC滤波单元,第二D触发器U4的Q端依次串联N级RC滤波单元后连接微控制器MCU的第一采样端口AD1,所述第二D触发器U4的端依次串联N级RC滤波单元后连接微控制器MCU的第二采样端口AD2,所述微控制器MCU输出相位差。矩形脉冲的占空比转换为直流电压分量的数字电路;以及通过AD采样及相应的数据处理,将直流电压分量转换为两个同频信号的相位差。利用较高阶的RC组成高阶的低通滤波器以快速的响应占空比的变化,将脉冲信号调制为直流电压。同时利用MCU控制芯片对直流电压进行AD采样,通过数据处理将采样的电压值与相位差关系进行转换。
在本实施例中,所述的N级RC滤波单元包括第四电阻R4、第五电阻R5、第二电容C2、第三电容C3、至少一个第N电阻Rn、至少一个第N电容Cn、至少一个第N+1电阻Rn+1和至少一个第N+1电容Cn+1;所述第二D触发器U4的Q端连接第四电阻R4的第一端,所述第四电阻R4的第二端连接第二电容C2的第一端和第N电阻Rn的第一端,所述第二电容C2的第二端连接GND,所述第N电阻Rn的第二端连接第N电容Cn的第一端和微控制器MCU的第一采样端口AD1,所述第N电容Cn的第二端连接GND;所述第二D触发器U4的端连接第五电阻R5的第一端,所述第五电阻R5的第二端连接第三电容C3的第一端和第N+1电阻Rn+1的第一端,所述第三电容C3的第二端连接GND,所述第N+1电阻Rn+1的第二端连接第N+1电容Cn+1的第一端和微控制器MCU的第二采样端口AD2,所述第N+1电容Cn+1的第二端连接GND;所述微控制器MCU输出相位差。
在一些实施例中,所述的第一D触发器U3和所述的第二D触发器U4型号为NC7SV74CN-D。D触发器采用安森美公司生产的型号为NC7SV74CN-D,其真值表如表2所示。
表2
表2中H代表高电平、L代表低电平、Qn代表数据保持、X代表无效、Z代表高阻态、代表上升沿、/>代表下降沿。
本发明第二方面提供:一种基于触发器的同频信号相位测量芯片,包括上述任一种基于触发器的同频信号相位测量电路。
本发明第三方面提供:一种基于触发器的同频信号相位测量装置,包括上述基于触发器的同频信号相位测量芯片。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于触发器的同频信号相位测量电路,其特征在于:包括整形电路模块、触发器电路模块、数字及AD采样电路模块,所述整形电路模块包括第一整形电路、第二整形电路,所述触发器电路模块包括第一触发器电路、第二触发器电路;第一信号源经所述第一整形电路输出第一整形信号,所述第一整形电路输出端连接所述第一触发器电路的第一时钟控制端CLK1;第二信号源经所述第二整形电路输出第二整形信号,所述第二整形电路输出端连接所述第二触发器电路的第二时钟控制端CLK2;所述触发器电路模块连接数字及AD采样电路模块,所述数字及AD采样电路模块输出相位差。
2.根据权利要求1所述的基于触发器的同频信号相位测量电路,其特征在于:所述第一整形电路包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第一二极管D1,所述第一信号源接所述第一运算放大器U1的负输入端,所述第一运算放大器的正输入端接地GND、电源正输入端接电源VCC、电源负输入端接地GND、输出端接第一电阻R1的第一端,第一电阻的第二端接第一二极管D1的阳极、第一触发器电路的第一时钟控制端CLK1,第一二极管D1的阴极接地。
3.根据权利要求1所述的基于触发器的同频信号相位测量电路,其特征在于:所述第二整形电路包括第二运算放大器U2、第二电阻R2、第二二极管D2,所述第二信号源接所述第二运算放大器U2的负输入端,所述第二运算放大器的正输入端接地GND、电源正输入端接电源VCC、电源负输入端接地GND、输出端接第二电阻R2的第一端,第二电阻的第二端接第二二极管D2的阳极、第二触发器电路的第二时钟控制端CLK2,第二二极管D2的阴极接地。
4.根据权利要求1所述的基于触发器的同频信号相位测量电路,其特征在于:所述第一触发器电路包括第一D触发器U3、第一电容C1、第三电阻R3、第三二极管D3,所述第一D触发器U3的D端连接VCC和第二触发器电路,所述第一D触发器U3的预设端连接第二触发器电路,所述第一D触发器U3的清零端/>接第一电容C1的正极、第三电阻R3的第一端、第三二极管D3的阴极,所述第一电容C1的负极接GND,所述第三电阻R3的第二端接第一D触发器U3的/>端和第二触发器电路,所述第三二极管D3的阳极接第二触发器电路。
5.根据权利要求4所述的基于触发器的同频信号相位测量电路,其特征在于:所述第二触发器电路包括第二D触发器U4,所述第一D触发器U3的D端和预设端连接第二D触发器U4的D端和预设端/>,所述第三电阻R3的第二端接第二D触发器U4的清零端/>,所述第三二极管D3的阳极接第二D触发器U4的清零端/>;所述第二D触发器U4的Q端和/>端接所述数字及AD采样电路模块。
6.根据权利要求5所述的基于触发器的同频信号相位测量电路,其特征在于:所述的数字及AD采样电路模块包括微控制器MCU和N级RC滤波单元,第二D触发器U4的Q端依次串联N级RC滤波单元后连接微控制器MCU的第一采样端口AD1,所述第二D触发器U4的端依次串联N级RC滤波单元后连接微控制器MCU的第二采样端口AD2,所述微控制器MCU输出相位差。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于触发器的同频信号相位测量电路,其特征在于:所述的第一D触发器U3和所述的第二D触发器U4型号为NC7SV74CN-D。
8.一种基于触发器的同频信号相位测量芯片,其特征在于:包括权利要求1-6任一项所述的基于触发器的同频信号相位测量电路。
9.一种基于触发器的同频信号相位测量装置,其特征在于:包括权利要求8所述的基于触发器的同频信号相位测量芯片。
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