一种高精度大动态范围幅度自适应的信号相位差测量装置及方法

技术领域：

本发明属于水声检测技术领域，具体涉及一种高精度大动态范围幅度自适应的信号相位差测量装置及方法。

背景技术：

随着电子技术的飞速发展，在声纳、雷达、通信、仪器仪表领域，为了实现特定的技术要求和目的，经常需要对两路同频信号的相位差进行测量。现有的测量方法较多，最基本的测量手段是采用仪器仪表进行测量，也可采用基于比较器异或门的电压测量法、脉冲计数法和基于专用集成相位检测芯片测量法。

现有的常规相位测量方法对输入信号幅度的动态范围有一定限制，信号较大或较小都无法进行准确测量，无法满足大动态范围变化模拟信号的高精度快速相位差测量。

实际应用中经常会出现被测信号不等幅、幅度动态变换且幅度相差较大的情况，如水声换能器阻抗相位测量过程中不同阻抗的换能器会导致测量时电压和电流信号差别达到几十倍甚至几万倍，常规相位测量方法难以胜任。

由此，急需一种高精度大动态范围幅度自适应的信号相位测量装置及方法来解决上述场景的相位差测量问题。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高精度大动态范围幅度自适应的信号相位差测量装置及方法，该装置具有信号幅度自适应、高精度、快速、高效率、高稳定性便携等特点，有效解决了常规相位测量方法对输入信号幅度的动态范围有一定限制，信号较大或太小都无法进行准确测量，无法满足大动态范围变化信号的高精度快速相位差测量的问题。

本发明的技术解决方案是，提供一种高精度大动态范围幅度自适应的信号相位差测量装置，该测量装置包括依次连接的接口模块、一级衰减放大隔离保护模块、一级程控放大模块、滤波模块、二级程控放大模块、信号调理采集模块、综合控制处理模块和显示操作存储模块，其中，综合控制处理模块还分别与一级衰减放大隔离保护模块、一级程控放大模块、二级程控放大模块连接。

本发明具备自适应大动态范围幅度变化模拟信号的高精度快速相位测量的能力。首先设计了接口模块可以实现更快捷方便的适应多种接口的连接，采用全差分仪表放大器降低接收电路噪声，第一级利用差分运放和高速比较器相结合实现第一级衰减或放大自动切换，采用多级程控放大串联高速闭环控制实现更大范围的幅度调整，采用多阶硬件滤波和高阶FIR软件滤波相结合的方式实现高信噪比选频特性，采用高速多核处理器实现高速信号的采集处理、数据计算、快速幅度自适应调节的闭环控制和测量结果的实时显示和存储。

作为优选，一级衰减放大隔离保护模块根据输入信号的幅值大小结合预设门限值自动选择一级衰减或放大固定档位，信号调理隔离后再进入第一级程控放大模块对信号进行放大或者缩小，提高输入被测信号的动态范围。

作为优选，滤波模块采用高阶硬件滤波和高阶FIR软件滤波相结合的方式实现高信噪比选频特性。

作为优选，第二级程控放大模块输出的单端信号通过一级单端转差分低噪声仪表放大器进一步提高抗干扰能力后送入高精度差分ADC,进行模数转换。

作为优选，综合控制处理模块利用实时计算的幅值信息与预设门限值进行比较并同步计算出当前各个通道实测值与预设值之间的比例关系，实时计算出需要给定调整的程控放大或衰减系数，通过自耦合分配算法和PID算法利用高速总线实时下发给对应的两级程控放大模块的对应通道，进行高速闭环控制实现幅度自适应调整。

本发明还提供一种基于上述的高精度大动态范围幅度自适应的信号相位差测量装置的测量方法，包括被测信号实时获取和调理、被测信号幅度自适应调节、被测信号的相位差实时计算三个过程，其中，被测信号实时获取和调理过程如下，

步骤101，被测信号通过测试线接入接口模块；

步骤102，被测信号通过接口模块首先进入到一级衰减放大隔离保护模块，硬件电路会根据输入信号的幅值大小结合预设门限值自动选择一级衰减或放大固定档位(并通过逻辑电平直接送入综合控制处理模块)，信号调理隔离后再进入第一级程控放大模块对信号进行放大或者缩小，提高输入被测信号的动态范围；

步骤103，被测信号经过一级程控放大模块后直接进入高阶带通滤波模块，抗混叠并滤出干扰噪声，提高被测信号的信噪比；

步骤104，滤波后的高信噪比信号再进入第二级程控放大模块对信号进行放大或者缩小，进一步提高输入被测信号的动态范围。

步骤105，第二级程控放大模块输出的单端信号通过一级单端转差分低噪声仪表放大器进一步提高抗干扰能力后送入高精度差分ADC,进行模数转换。

步骤106，信号调理采集模块将模数转换的数据通过总线送入综合控制处理模块。

作为优选，被测信号幅度自适应调节过程如下，

步骤201，综合控制处理模块接收实时采集的数据，并对其进行解包处理；

步骤202，对解包后的被测数据进行实时高阶FIR滤波、加窗处理、FFT计算、幅度计算和门限优选计算处理；

步骤203，综合控制处理模块利用实时计算的幅值信息与预设门限值进行比较并同步计算出当前各个通道实测值与预设值之间的比例关系，实时计算出需要给定调整的程控放大或衰减系数，通过自耦合分配算法和PID算法利用高速总线实时下发给对应的两级程控放大模块的对应通道，进行高速闭环控制并实现幅度自适应调整；

步骤204，通过上述幅度自适应高速闭环调整后，得到高信噪比且接近等幅度的被测信号来最大限度的提高相位差计算精度。

作为优选，被测信号的相位差实时计算过程如下，

步骤301，自适应幅度调节完成后自动退出闭环控制状态，综合控制处理模块再对自适应调整后的被测信号重新采样并进行FFT、幅频和相频计算，最后输出被测信号的相位差，以及结合第一级选择的固定放大/衰减档位和两级程控放大模块执行的程控系数直接算出被测信号各自的幅值大小，能量比值等结果；

步骤302，最终将实时计算出来的相位差结果送入显示模块实时显示或存储。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明具有信号幅度自适应、高精度、快速、高效率、高稳定性便携等特点，有效解决了常规相位测量方法对输入信号幅度的动态范围有一定限制，信号较大或太小都无法进行准确测量，无法满足大动态范围变化信号的高精度快速相位差测量的问题。

附图说明：

图1为本发明的功能模块图；

图2为本发明的工作流程图。

具体实施方式：

下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明提供的一种高精度大动态范围幅度自适应的信号相位差测量装置，该测量装置包括依次连接的接口模块、一级衰减放大隔离保护模块、一级程控放大模块、滤波模块、二级程控放大模块、信号调理采集模块、综合控制处理模块和显示操作存储模块，其中，综合控制处理模块还分别与一级衰减放大隔离保护模块、一级程控放大模块、二级程控放大模块连接。其包括被测信号实时获取和调理、被测信号幅度自适应调节、被测信号的相位差实时计算一共三部分。

基于该装置的测量方法的工作流程如图2所示，

具体包括以下步骤：

1)将两路被测信号通过测试线接入测量装置的接口模块；

2)被测信号通过接口模块首先进入到一级衰减放大隔离保护模块，硬件电路采用低噪声差分仪表放大器、高隔离运放、高速比较器和高速模拟开关构成了一级衰减放大隔离保护模块，巧妙实现了利用输入信号幅值与硬件预设门限值相比较后自动切换一级衰减或放大固定档位(并通过逻辑电平直接送入综合控制处理模块)的功能。

3)被测信号经过调理隔离输出后再进入第一级程控放大模块实现对被测信号的快速大动态范围调整，程控放大器选用高速大带宽大动态范围调整的型号，支持-90～+30dB的调整范围，步进0.5dB，实现对被测信号的第一级精细程控，系统默认为0dB输出；

3)被测信号经过一级程控放大模块后直接进入高阶带通滤波模块，实现抗混叠和滤出干扰噪声，提高被测信号的信噪比；

4)滤波后的高信噪比带内信号再进入第二级程控放大模块(硬件电路与第一级程控放大模块一致)实现对被测信号动态调整范围进一步扩大，进一步提高系统对被测信号动态自适应调整的能力(此处可根据需求支持多级串联)，系统默认为0dB输出；

5)第二级程控放大模块输出的单端信号通过一级单端转差分低噪声仪表放大器进一步提高抗干扰能力后送入高精度差分高速同步ADC,进行模数转换；

6)综合控制处理模块接收实时采集的数据，并对其进行解包处理，对解包后的两通道被测数据进行实时高阶FIR滤波、加窗处理、FFT计算、幅度计算和门限计算等并行处理。

7)综合控制处理模块利用实时计算的幅值信息与预设门限值进行比较并同步计算出当前各个通道实测值与预设值之间的幅度比例关系，实时计算出需要给定调节的程控放大或衰减系数，通过自耦合分配算法和PID算法利用高速总线实时下发给对应的两(多)级程控放大模块的对应通道进行实时闭环控制，快速实现幅度自适应调整；

8)通过上述幅度自适应高速闭环调整后，得到两路接近等幅度大小适中的被测信号来最大限度的提高相位差计算精度，自适应幅度调节完成后自动退出闭环控制状态，综合控制处理模块再对自适应调整后的被测信号重新采样后进行FFT、幅频和相频计算，最后输出被测信号的相位差，另外结合各级放大/衰减的系数可直接算出被测信号各自的幅值大小和通道间的能量比等结果，然后送入显示模块实时显示或存储。

本实施例构建的一种高精度大动态范围幅度自适应的信号相位差测量装置及其方法，具备自适应大动态范围幅度变化模拟信号的高精度快速相位测量的能力，具有信号幅度自适应、高精度、快速、高效率、高稳定性、结果实时显示、存储和便携等特点，有效解决了常规相位测量方法对输入信号幅度的动态范围有一定限制，信号较大或太小都无法进行准确测量，无法满足大动态范围变化信号的高精度快速相位差测量的问题。

并且，本发明首次创新提出并实现对两路信号幅度相差0～90dB(1～30000倍)的高精度快速相位差的准确计算，采用多级程控放大器串联高速闭环控制实现更大范围的幅度调节，采用多阶硬件滤波和高阶FIR软件滤波相结合的方式实现高信噪比选频特性。为后级调理采集模块提供了高信噪比的被测信号。采用高速多核处理器实现高速信号的采集处理、数据计算、快速幅度自适应调节的闭环控制和测量结果的实时显示和存储。有效解决了常规相位测量方法对输入信号幅度的动态范围有一定限制，信号较大或太小都无法进行准确测量，无法满足大动态范围变化信号的高精度快速相位差测量的问题并提供了重要技术支撑。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。