专利名称：一种测相装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及数字信号处理技术领域，特别涉及一种测相装置及其控制方法。
背景技术：
在通信、仪表、电力、光学应用和故障诊断等工程领域，存在大量对信号的相位进 行高精度、高效和快速的估计问题。例如在采用QAM和PSK调制的通信系统中，只有在接 收端对各个码元周期内的载波初相位进行快速估计，才能正确恢复星座图，实现正确解码 [1]；在各类仪表中，相位计是常见的一种，相位计的基本功能就是准确测算出信号各个时刻 的相位[2]；而在电力系统的并网合闸场合，要求精确地测量两电网系统中工频信号间的相 位差；另外在电力系统谐波分析中，受发电机绕组工艺、各种非线性电力设备负荷(如各种 晶闸管整流装置、变频装置)等因素的影响，电网频率通常会发生偏移，这就要求实时测出 50Hz基波和各次谐波的相位、频率和幅值[3]；相位式高精度激光测距仪就是通过测量连续 调幅信号在待测距离上往、返传播所产生的相位延迟，来间接地测定距离的M ；在旋转机械 的故障诊断中，常常需通过对振动信号进行谱分析(包括振幅谱和相位谱)来判断故障类 别，然而有时一个振幅谱往往对应着两三个解释(比如某台从旋转机械采集到的信号频谱 中存在着较大的2倍频分量，则表明这台机器可能存在不对中或者轴弯曲或者机械松动的 问题，到底是哪一种情况，很难说清楚)，这时如果结合相位分析，就很容易作出准确的判断 [5]。总之，信号相位的估计问题普遍存在于与国民经济紧密相关的生产环节中，因而研发出 高性能的相位估计法具有很高的工程价值和经济价值。相位测量与估计的方法很多，传统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，其测量系统复杂，需专用器件，硬件成本高。近年来，相位估计逐渐向数 字化方向发展，其优点在于硬件成本低、适应性强，只需单片机、DSP和FPGA等通用器件就 可完成，对不同的测量对象只需改变程序即可，且其精度一般高于模拟式测量。因此，选定 一套精确的相位估计方法是关键。然而，为研发出高精度的相位测量方法(即参数估计方法)，仅在工程领域中去考 虑问题是远远不够的。因为无论是在哪种应用场合，也无论是测量哪种物理量，经采样后信 号的表现形式都是离散观测数据，若要精确、快速、有效地从观测数据中提取出参数信息， 这就涉及很多理论问题，所涵盖的知识可覆盖到数字信号处理、信号检测与估计理论、信息 论、概率论与数理统计、随机过程等多个学科领域，只有加深对这些领域的基础知识的理 解，从新的角度提出一些优化参数估计性能的措施，才有可能开发出性能更为优良的方法。 而现有的数字化相位估计主要包括以下几种方法(1)脉冲计数法这是最常用的相位测量法，其测相原理如

图1所示，主要过程为产生与所测正弦 信号同频率f、且已知初相的参考正弦波，然后分别对这两路正弦波进行脉冲计数(假设其 基本计数周期为Ttl)，根据其脉冲计数差值(假设η个脉冲差)而算出其延时IITci,进而测算 出其相位差2 π fnT0,由参考相位加上此相位差，即可得到相位估计。可看出，这种方法的缺陷在于(a)需产生参考正弦波，且要求参考信号与所测正弦信号的频率完全一致，若稍有 偏离，则会给测量结果带来很严重的偏差；(b)需专门产生脉冲计数信号，且测量精度很大 程度上取决于基本脉冲宽度Ttl，只有减小Ttl才能提高测量精度，这对硬件设备的要求很高。(2)希尔伯特变换法[6]对于余弦类的信号x(t) = COM2 Jift+θ。)，为估计t = 0时的相位Θ。，以采样 频率fs对X (t)进行采样后得到序列X (n) = cos (2 JI f/fsn+ θ Q)，n = 0，1，. . .，N-I ；若对 χ (η)作希尔伯特变换可得其解析信号咖)=x㈨+片⑷，η = 0,1,...，Ν-1，则根据下式可得 到的θο估计式
权利要求
1.一种测相装置，其特征在于，所述测相装置包括调理电路、A/D转换器、数字信号处 理器和输出驱动及其显示电路，模拟信号接入所述调理电路，所述调理电路根据第一阈值对所述模拟信号的幅度进行 调整，获取第一模拟信号，所述第一模拟信号经所述A/D转换器采样得到样本序列，所述样 本序列以并行数字输入的形式接入所述数字信号处理器，经所述数字信号处理器的处理得 到样本序列的相位估计值，所述样本序列的相位估计值通过所述输出驱动及其显示电路输 出并显示。
2.根据权利要求1所述的一种测相装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下 步骤(1)设定采样频率fs和谱分析阶数N；(2)以所述采样频fs对输入模拟信号χ(t)进行等间隔采样，获取) ~ 共N+1 个离散样本；(3)将所述N+1个离散样本分成两段，第一段离散样本由前N个离散样本 ~ 1)}组成，第二段离散样本由后N个离散样本{x(-|· +1) ~ 组成；(4)将所述第一段离散样本循环左移+，获取左移后的第一段离散样本；将所述第二段离散样本循环左移，获取左移后的第二段离散样本；(5)对所述左移后的第一段离散样本作DFT变换，对所述左移后的第二段离散样本作 DFT变换，对二次DFT变换后的结果求和，获取谱Y (k)，其中，{Y(k)，k = 0，...，N-l}；(6)对所述谱Y(k)取模值，获取谱Y (k)的振幅峰值；(7)将所述谱Y(k)的振幅峰值对应的相位值ang[Y(k*)]作为中心样点x(0)的相位估 计值；(8)判断所述相位估计值是否等于第二阈值，如果是，输出驱动及其显示电路将所述相 位估计值输出；如果否，调整所述谱分析阶数N，重新执行步骤O)。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在步骤(1)之后，步骤( 之前，所述 方法还包括消除所述模拟信号x(t)中的直流成分。
4.根据权利要求1所述的一种测相装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下 步骤(9)设定采样频fs和谱分析阶数N；(10)以所述采样频4对输入模拟信号X(t)进行等间隔采样，获取x(_i) X(I)共N+1 个离散样本；(11)将所述N+1个离散样本中的样本+~进行乘2，将第一个样点 x(-N/2)和最后一个样点χ (Ν/2)相加，获取N个样点y(0) y (N-I)；
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在步骤(9)之后，步骤(10)之前，所 述方法还包括消除模拟信号x(t)中的直流成分。
全文摘要
本发明公开了一种测相装置及其控制方法，涉及数字信号处理技术领域，包括调理电路、A/D转换器、数字信号处理器和输出驱动及其显示电路，模拟信号接入调理电路，调理电路根据第一阈值对模拟信号的幅度进行调整，获取第一模拟信号，第一模拟信号经A/D转换器采样得到样本序列，样本序列以并行数字输入的形式接入数字信号处理器，经数字信号处理器的处理得到样本序列的相位估计值，样本序列的相位估计值通过输出驱动及其显示电路输出并显示。用较短的样本数据，即可实现对中心样点瞬间相位的精确估计；不需估计频率就可实现相位估计；由于没有进行频率估计，避免了频率估计误差，降低了对硬件的成本和复杂度的要求，满足了实际应用中的需要。
文档编号G01R25/00GK102095933SQ20101057715
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者王兆华, 黄翔东 申请人:天津大学