專利名稱：測量高頻率信號相位變化的數(shù)字相位計及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號測量及數(shù)字信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于鎖相環(huán)技術(shù)測量高頻率信號相位變化的高精度數(shù)字相位計及其方法。
背景技術(shù)：
1915年愛因斯坦建立了廣義相對論理論，廣義相對論同時預(yù)言了引力波的存在，但是到目前為止科學(xué)工作者從來沒有直接的驗證過引力波的存在。引力波的觀測意義不僅在于對廣義相對論的直接驗證，更在于它能夠提供一個觀測宇宙的新途徑，就像觀測天文學(xué)從可見光天文學(xué)擴展到全波段天文學(xué)那樣極大擴展人類的視野。傳統(tǒng)的觀測天文學(xué)完全依靠對電磁輻射的探測，而引力波天文學(xué)的出現(xiàn)則標(biāo)志著觀測手段已經(jīng)開始超越電磁相互作用的范疇，引力波觀測將揭示關(guān)于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。目前在空間引力波探測及先進空間重力場的測量中，各國在優(yōu)化對比的基礎(chǔ)上大多采用了激光差分干涉的方法學(xué)，差分干涉將航天器間的距離變化轉(zhuǎn)化為激光差分干涉信號的相位變化。而空間環(huán)境的特殊性不能引入基準(zhǔn)信號作為測量的基準(zhǔn)，所以傳統(tǒng)相位計不能滿足設(shè)計的要求。為保證相位反演的準(zhǔn)確度，以國外 LISA(Laser Interferometer Space Antenna,空間引力波天線)計劃為例，相位計響應(yīng)速度至少20MHz，精度要達到2 μ rad/ V Hz，先進空間重力場分布測量要求相對低一些(處理速度5MHz, mrad/ V Hz)。我國在引力波及空間先進重力場測量領(lǐng)域還處于起步的階段，在相位計的研制方面也遠遠的落后歐美等發(fā)達國家
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是解決在高精度的測量高頻信號相位變化領(lǐng)域測量儀器的匱乏問題，尤其是在空間激光測距領(lǐng)域，提供一種基于鎖相環(huán)技術(shù)測量高頻率信號相位變化的高精度數(shù)字相位計及其方法。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種測量高頻率信號相位變化的數(shù)字相位計，包括:依次相連的高頻率信號混頻降頻電路、AD轉(zhuǎn)換器和核心算法運算電路，其中，所述高頻率信號混頻降頻電路用于將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，并降低高頻信號的頻率；所述AD轉(zhuǎn)換器用于將高頻率信號混頻降頻電路輸出的待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號；所述核心算法運算電路用于測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，并根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，并將正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測高頻信號的相位變化。優(yōu)選地，上述數(shù)字相位計還具有以下特點:所述數(shù)字相位計還可包括RS232通信模塊，所述RS232通信模塊與所述核心算法運算電路相連，用于將核心算法運算電路得到的待測高頻信號的相位信息發(fā)送至計算機或其他設(shè)備。優(yōu)選地，上述數(shù)字相位計還具有以下特點:所述高頻率信號混頻降頻電路包括模擬高通濾波器、混頻信號發(fā)生器、混頻模擬乘法器和模擬低通濾波器，其中，所述模擬高通濾波器與混頻信號發(fā)生器和混頻模擬乘法器相連，所述混頻信號發(fā)生器與所述混頻模擬乘法器相連，混頻模擬乘法器與所述模擬低通濾波器相連；所述模擬高通濾波器用于將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，發(fā)送至混頻信號發(fā)生器和混頻模擬乘法器；所述混頻信號發(fā)生器用于接收模擬高通濾波器的輸出信號，并輸出混頻信號發(fā)送至混頻模擬乘法器；所述混頻模擬乘法器用于將接收到的模擬高通濾波器的輸出信號和混頻信號發(fā)生器輸出的混頻信號進行混頻，并發(fā)送至模擬低通濾波器；所述模擬低通濾波器用于將接收到的混頻信號的高頻部分濾除以降頻，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器。 優(yōu)選地，上述數(shù)字相位計還具有以下特點:所述核心算法運算電路包括頻率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、反正切運算器和頻率反饋控制器；其中，頻率計與本地振蕩器相連，本地振蕩器分別與第一乘法器、第二乘法器和頻率反饋控制器相連，第一乘法器、第一低通濾波器和反正切運算器依次相連，第二乘法器、第二低通濾波器和反正切運算器依次相連，反正切運算器與頻率反饋控制器相連；所述頻率計用于對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號進行測量，得到待測數(shù)字信號的初始頻率，并將所述初始頻率反饋至本地振蕩器；所述本地振蕩器用于根據(jù)得到的初始頻率產(chǎn)生正交的余弦信號和正弦信號，將所述余弦信號發(fā)送至第一乘法器，將所述正弦信號發(fā)送至第二乘法器；所述第一乘法器用于將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第一低通濾波器；所述第二乘法器用于將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第二低通濾波器；所述第一低通濾波器用于將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號，發(fā)送至反正切運算器；所述第二低通濾波器用于將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號，發(fā)送至反正切運算器；所述反正切運算器用于將所述第一直流信號和第二直流信號進行反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地振動器的相位差即待測高頻信號的相位變化，并輸出；所述頻率反饋控制器用于計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振蕩器信號的頻率，使本地振蕩器信號的頻率跟隨待測高頻信號的變化。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種測量高頻率信號相位變化的方法，包括:
高頻率信號混頻降頻電路將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，并降低高頻信號的頻率；AD轉(zhuǎn)換器將高頻率信號混頻降頻電路輸出的待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號;核心算法運算電路測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，并根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，并將正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測高頻信號的相位變化。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點:所述高頻率信號混頻降頻電路包括模擬高通濾波器、混頻信號發(fā)生器、混頻模擬乘法器和模擬低通濾波器；所述高頻率信號混頻降頻電路將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，并降低高頻信號的頻率的步驟包括:所述模擬高通濾波器將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，發(fā)送至混頻信號發(fā)生器和混頻模擬乘法器；所述混頻信號發(fā)生器接收模擬高通濾波器的輸出信號，并輸出混頻信號發(fā)送至混頻模擬乘法器；所述混頻模擬乘法器將接收到的模擬高通濾波器的輸出信號和混頻信號發(fā)生器輸出的混頻信號進行混頻，并發(fā)送至模擬低通濾波器；所述模擬低通濾波器將接收到的混頻信號的高頻部分濾除以降頻，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點:所述核心算法運算電路包括頻率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、反正切運算器和頻率反饋控制器；所述核心算法運算電路測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，并根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，并將正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測高頻信號的相位變化的步驟包括:所述頻率計對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號進行測量，得到待測數(shù)字信號的初始頻率，并將所述初始頻率反饋至本地振蕩器；所述本地振蕩器根據(jù)得到的初始頻率產(chǎn)生正交的余弦信號和正弦信號，將所述余弦信號發(fā)送至第一乘法器，將所述正弦信號發(fā)送至第二乘法器；
所述第一乘法器將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第一低通濾波器，所述第一低通濾波器將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號，發(fā)送至反正切運算器；所述第二乘法器將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第二低通濾波器，所述第二低通濾波器將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號，發(fā)送至反正切運算器；所述反正切運算器將所述第一直流信號和第二直流信號進行反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地振動器的相位差即待測高頻信號的相位變化，并輸出。優(yōu)選地，上述方法還具有以下特點:
所述核心算法運算電路還包括頻率反饋控制器；所述核心算法運算電路測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，并根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，并將正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測高頻信號的相位變化的步驟還包括:頻率反饋控制器計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振蕩器信號的頻率，使本地振蕩器信號的頻率跟隨待測高頻信號的變化。本發(fā)明可廣泛的用于測量高頻率信號(大于2MHz)的相位變化，尤其適用于在空間激光差分干涉測距領(lǐng)域。本發(fā)明基于FPGA(Field — Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)的高精度相位計的設(shè)計，大部分的運算部分均在FPGA內(nèi)完成，在相位計的硬件實現(xiàn)方面，F(xiàn)PGA以其硬件特性的優(yōu)勢具有并行處理的優(yōu)勢，所以在高速的數(shù)字信號處理方面有不可比擬的優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明實施例的基于鎖相環(huán)技術(shù)測量高頻率信號相位變化的高精度數(shù)字相位計的示意圖；圖2為本發(fā)明實施例的高頻率信號混頻降頻電路示意圖；圖3為本發(fā)明實施例的核心算法運算電路示意圖。
具體實施例方式下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及 實施例中的特征可以相互任意組合。如圖1所示，本發(fā)明實施例的測量高頻率信號相位變化的數(shù)字相位計，包括:依次相連的高頻率信號混頻降頻電路、AD轉(zhuǎn)換器和核心算法運算電路，其中，所述高頻率信號混頻降頻電路用于將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，并降低高頻信號的頻率；所述AD轉(zhuǎn)換器用于將高頻率信號混頻降頻電路輸出的待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號；所述核心算法運算電路用于測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，并根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，并將正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測高頻信號的相位變化。另外，數(shù)字相位計還可包括RS232通信模塊，所述RS232通信模塊與所述核心算法運算電路相連，用于將核心算法運算電路得到的待測高頻信號的相位信息發(fā)送至計算機或其他設(shè)備。如圖2所示，所述高頻率信號混頻降頻電路包括模擬高通濾波器、混頻信號發(fā)生器、混頻模擬乘法器和模擬低通濾波器，其中，所述模擬高通濾波器與混頻信號發(fā)生器和混頻模擬乘法器相連，所述混頻信號發(fā)生器與所述混頻模擬乘法器相連，混頻模擬乘法器與所述模擬低通濾波器相連。本發(fā)明測量待測高頻信號的相位變化，待測信號記為ω)t+ Δ φ) +A0。
所述模擬高通濾波器用于將輸入的待測高頻信號ω)t+Δ φ)+Α0)濾除直流部分，發(fā)送至混頻信號發(fā)生器和混頻模擬乘法器，此時信號可記為:10Cos ((ω0土Δ ω ) t+ Δ φ)。所述混頻信號發(fā)生器用于接收模擬高通濾波器的輸出信號，并輸出混頻信號(Iacosb。土 Λ ω-Λ ω ) t)發(fā)送至混頻模擬乘法器；所述混頻模擬乘法器用于將接收到的模擬高通濾波器的輸出信號和混頻信號發(fā)生器輸出的混頻信號進行混頻，并發(fā)送至模擬低通濾波器；所述模擬低通濾波器用于將接收到的混頻信號的高頻部分濾除以降頻，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器,此時信號可記為:10Cos (Δ ω +Δ φ)。如圖3所示，所述核心算法運算電路通常采用FPGA主電路板，包括頻率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、反正切運算器和頻率反饋控制器；其中，頻率計與本地振蕩器相連，本地振蕩器分別與第一乘法器、第二乘法器和頻率反饋控制器相連，第一乘法器、第一低通濾波器和反正切運算器依次相連，第二乘法器、第二低通濾波器和反正切運算器依次相連，反正切運算器與頻率反饋控制器相連；所述頻率計用于對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號進行測量，得到待測數(shù)字信號的初始頻率Λ ω，并將所述初始頻率Λ ω反饋至本地振蕩器；所述本地振蕩器用于根據(jù)得到的初始頻率產(chǎn)生正交的正弦信號s2=Isin(A ω t)和余弦信號S1=Icos ( Λ ω t)，將所述余弦信號S1=IcoS (Δ ω t)發(fā)送至第一乘法器，將所述正弦信號S2=ISin ( Λ cot)發(fā)送至第二乘法器；所述第一乘法器用于將所述余弦信號S1=Ic0S(AGn)與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，乘法結(jié)果記為:
O = =7!1/cos(Aai/ + A0)cos(Aco,/) = /,,/[+cos(2Aoj/ + A!t0) + ^-cos(A0)]，并發(fā)送至第一低
通濾波器；所述第二乘法器用于將所述正弦信號S2=ISin(Acot)與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，乘法結(jié)果記為:
P = S0 ■ s: = IJ οο5(Δω/ + Δ0)sin(Aw/) = / /[—sin(2A0.)/ -1 Δ ) + — sin(A0)]并發(fā)送至第二低通
2 2
濾波器；所述第一低通濾波器用于濾除乘法結(jié)果中的倍頻成分，將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號Q’，發(fā)送至反正切運算器；所述第二低通濾波器用于濾除乘法結(jié)果中的倍頻成分，將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號P’，發(fā)送至反正切運算器；所述反正切運算器用于將所述第二直流信號和第一直流信號進行反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地振動器的相位差=(即待測高頻信號的相位變化)，并輸出；所述頻率反饋控制器用于計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振蕩器信號的頻率Λ ω，使本地振蕩器信號的頻率跟隨待測高頻信號的變化。在一個應(yīng)用實例中，高頻率信號混頻降頻電路中的模擬低通濾波器為mini circuits公司生產(chǎn)的BLP1.9+無源低通濾波器，截止頻率為1.9MHz?；祛l模擬乘法器為MAXM公司MLT04G?；祛l信號發(fā)生器采用的是Analog Devices公司生產(chǎn)的AD9854DDS芯片。模擬高通濾波器主要的作用是隔離信號中的直流成分，選擇0.1uF的電容和IK的電阻組成隔直電路。AD轉(zhuǎn)換器是Analog Devices公司生產(chǎn)的AD9254，采樣速率150MSPS，精度為14位。核心算法運算電路為FPGA主電路板，采用的是較為成熟的Terasic公司生產(chǎn)的DE3-340, FPGA 芯片為 Altera 公司生產(chǎn)的 Stratix III EP3SL340H1152C2。RS232通信模塊完成相位計和計算機間的數(shù)據(jù)通信，采用Terasic公司生產(chǎn)的HSMC Communication Card。相應(yīng)地，本發(fā)明實施例的測量高頻率信號相位變化的方法，包括:步驟1，高頻率信號混頻降頻電路將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，并降低高頻信號的頻率；步驟2，AD轉(zhuǎn)換器將高頻率信號混頻降頻電路輸出的待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)
字信號;步驟3，核心算法運算電路測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，并根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，并 將正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測高頻信號的相位變化。其中，步驟I具體包括:1.1所述模擬高通濾波器將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，發(fā)送至混頻信號發(fā)生器和混頻模擬乘法器；1.2所述混頻信號發(fā)生器接收模擬高通濾波器的輸出信號，并輸出混頻信號發(fā)送至混頻模擬乘法器；1.3所述混頻模擬乘法器將接收到的模擬高通濾波器的輸出信號和混頻信號發(fā)生器輸出的混頻信號進行混頻，并發(fā)送至模擬低通濾波器；1.4所述模擬低通濾波器將接收到的混頻信號的高頻部分濾除以降頻，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器。步驟3具體包括:3.1所述頻率計對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號進行測量，得到待測數(shù)字信號的初始頻率，并將所述初始頻率反饋至本地振蕩器；3.2所述本地振蕩器根據(jù)得到的初始頻率產(chǎn)生正交的余弦信號和正弦信號，將所述余弦信號發(fā)送至第一乘法器，將所述正弦信號發(fā)送至第二乘法器；3.3所述第一乘法器將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第一低通濾波器，所述第一低通濾波器將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號，發(fā)送至反正切運算器；3.4所述第二乘法器將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第二低通濾波器，所述第二低通濾波器將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號，發(fā)送至反正切運算器；3.5所述反正切運算器將所述第二直流信號和第一直流信號進行反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地振動器的相位差即待測高頻信號的相位變化，并輸出。其中，步驟3.3和3.4并行進行。另外，步驟3還包括:3.6頻率反饋控制器計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振蕩器信號的頻率，使本地振蕩器信號的頻率跟隨待測高頻信號的變化。 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測量高頻率信號相位變化的數(shù)字相位計，其特征在于，包括:依次相連的高頻率信號混頻降頻電路、AD轉(zhuǎn)換器和核心算法運算電路，其中， 所述高頻率信號混頻降頻電路用于將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，并降低高頻信號的頻率； 所述AD轉(zhuǎn)換器用于將高頻率信號混頻降頻電路輸出的待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號; 所述核心算法運算電路用于測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，并根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，并將正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測高頻信號的相位變化。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字相位計，其特征在于， 所述數(shù)字相位計還可包括RS232通信模塊，所述RS232通信模塊與所述核心算法運算電路相連，用于將核心算法運算電路得到的待測高頻信號的相位信息發(fā)送至計算機或其他設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字相位計，其特征在于， 所述高頻率信號混頻降頻電路包括模擬高通濾波器、混頻信號發(fā)生器、混頻模擬乘法器和模擬低通濾波器，其中，所述模擬高通濾波器與混頻信號發(fā)生器和混頻模擬乘法器相連，所述混頻信號發(fā)生器與所述混頻模擬乘法器相連，混頻模擬乘法器與所述模擬低通濾波器相連； 所述模擬高通濾波器用于將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，發(fā)送至混頻信號發(fā)生器和混頻模擬乘法器； 所述混頻信號發(fā)生器用于接收模擬高通濾波器的輸出信號，并輸出混頻信號發(fā)送至混頻模擬乘法器； 所述混頻模擬乘法器用于將接收到的模擬高通濾波器的輸出信號和混頻信號發(fā)生器輸出的混頻信號進行混頻，并發(fā)送至模擬低通濾波器； 所述模擬低通濾波器用于將接收到的混頻信號的高頻部分濾除以降頻，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器。
4.如權(quán)利要求1 3中任意一項所述的數(shù)字相位計,其特征在于， 所述核心算法運算電路包括頻率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、反正切運算器和頻率反饋控制器；其中，頻率計與本地振蕩器相連，本地振蕩器分別與第一乘法器、第二乘法器和頻率反饋控制器相連，第一乘法器、第一低通濾波器和反正切運算器依次相連，第二乘法器、第二低通濾波器和反正切運算器依次相連，反正切運算器與頻率反饋控制器相連； 所述頻率計用于對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號進行測量，得到待測數(shù)字信號的初始頻率，并將所述初始頻率反饋至本地振蕩器； 所述本地振蕩器用于根據(jù)得到的初始頻率產(chǎn)生正交的余弦信號和正弦信號，將所述余弦信號發(fā)送至第一乘法器，將所述正弦信號發(fā)送至第二乘法器； 所述第一乘法器用于將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第一低通濾波器； 所述第二乘法器用于將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第二低通濾波器； 所述第一低通濾波器用于將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號，發(fā)送至反正切運算器； 所述第二低通濾波器用于將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號，發(fā)送至反正切運算器； 所述反正切運算器用于將所述第二直流信號和第一直流信號進行反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地振動器的相位差即待測高頻信號的相位變化，并輸出； 所述頻率反饋控制器用于計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振蕩器信號的頻率，使本地振蕩器信號的頻率跟隨待測高頻信號的變化。
5.一種測量高頻率信號相位變化的方法，包括: 高頻率信號混頻降頻電路將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，并降低高頻信號的頻率； AD轉(zhuǎn)換器將高頻率信號混頻降頻電路輸出的待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號； 核心算法運算電路測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，并根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，并將正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測高頻信號的相位變化。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于， 所述高頻率 信號混頻降頻電路包括模擬高通濾波器、混頻信號發(fā)生器、混頻模擬乘法器和模擬低通濾波器； 所述高頻率信號混頻降頻電路將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，并降低高頻信號的頻率的步驟包括: 所述模擬高通濾波器將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，發(fā)送至混頻信號發(fā)生器和混頻模擬乘法器； 所述混頻信號發(fā)生器接收模擬高通濾波器的輸出信號，并輸出混頻信號發(fā)送至混頻模擬乘法器； 所述混頻模擬乘法器將接收到的模擬高通濾波器的輸出信號和混頻信號發(fā)生器輸出的混頻信號進行混頻，并發(fā)送至模擬低通濾波器； 所述模擬低通濾波器將接收到的混頻信號的高頻部分濾除以降頻，發(fā)送至所述AD轉(zhuǎn)換器。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于， 所述核心算法運算電路包括頻率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、反正切運算器和頻率反饋控制器； 所述核心算法運算電路測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，并根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，并將正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測高頻信號的相位變化的步驟包括: 所述頻率計對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號進行測量，得到待測數(shù)字信號的初始頻率，并將所述初始頻率反饋至本地振蕩器； 所述本地振蕩器根據(jù)得到的初始頻率產(chǎn)生正交的余弦信號和正弦信號，將所述余弦信號發(fā)送至第一乘法器，將所述正弦信號發(fā)送至第二乘法器；所述第一乘法器將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第一低通濾波器，所述第一低通濾波器將第一乘法器發(fā)送的信號降頻為第一直流信號，發(fā)送至反正切運算器； 所述第二乘法器將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第二低通濾波器，所述第二低通濾波器將第二乘法器發(fā)送的信號降頻為第二直流信號，發(fā)送至反正切運算器； 所述反正切運算器將所述第二直流信號和第一直流信號進行反正切運算得到基準(zhǔn)信號與本地振動器的相位差即待測高頻信號的相位變化，并輸出。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于， 所述核心算法運算電路還包括頻率反饋控制器； 所述核心算法運算電路測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，并根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，并將正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測高頻信號的相位變化的步驟還包括: 頻率反饋控制器計算本地振蕩器和基準(zhǔn)信號間的頻率誤差，反饋給本地振蕩器，以調(diào)整本地振 蕩器信號的頻率，使本地振蕩器信號的頻率跟隨待測高頻信號的變化。
全文摘要
本發(fā)明公開一種測量高頻率信號相位變化的數(shù)字相位計及其方法，所述數(shù)字相位計包括依次相連的高頻率信號混頻降頻電路、AD轉(zhuǎn)換器和核心算法運算電路，所述高頻率信號混頻降頻電路用于將輸入的待測高頻信號濾除直流部分，并降低高頻信號的頻率；所述AD轉(zhuǎn)換器用于將高頻率信號混頻降頻電路輸出的待測模擬信號轉(zhuǎn)換為待測數(shù)字信號；所述核心算法運算電路用于測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，并根據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，并將正交信號與待測數(shù)字信號混頻、降頻為直流信號，再經(jīng)反正切運算得到待測高頻信號的相位變化。本發(fā)明可廣泛的用于測量高頻率信號的相位變化，尤其適用于在空間激光差分干涉測距領(lǐng)域。
文檔編號G01R25/00GK103217577SQ20131012877
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者劉河山, 靳剛, 董玉輝, 李玉瓊, 羅子人 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所