一种用于压电微流体系统的谐波信号相位调节方法及装置与流程

本发明涉及谐波信号相位调节技术领域，是用于压电微流体系统的谐波信号相位调节方法及装置。谐波相位调节调节范围为0°-360°，分辨率可为任意精度。

背景技术：

复杂压电微流体控制系统(如双主动阀压电微泵、双腔串联压电微泵)常由多路谐波信号驱动，精密调节谐波信号间相位差，可准确控制微泵输出压力、流量等参数。相对于电压控制、频率控制方式而言，有利于压电微泵寿命，控制过程平稳，而且还能实现微泵功能扩展：例如，对双主动压电微泵，调节谐波信号间相位差，在0°-360°之间连续变化时，可改变流体的输送方向及输出流量，从而使微泵具有双向输送流体的功能。除此之外，谐波信号相位调节技术还在压电微型精密驱动器，微电网并联系统、电力系统继电保护装置，通信、激光技术中，发挥重要作用。

以往谐波信号相位调节常采用rc电路，rc电路形式简单，但相位调节范围较窄，且调节过程中易引起信号频率、幅值等参数的变化；另一种方法是采用“直接数字式频率合成(dds)”技术，但对具体型号的dds芯片来说，其相位分辨率是固定的，不能根据需要任意提高。还有一种方法是先将波形数据存放在存储单元中，根据相位调节要求，由微控制器修改存储单元内容或地址，从而改变输出相位，由于需要不断地进行抽样、重构，该方法对微控制器处理速度要求很高，不适合工作频率较高的场合。

由此可见，提供一种分辨率尽可能高，调节范围尽可能宽的谐波信号相位调节方法及装置是现有技术中有待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种科学合理，适用性强，效果佳，能够满足复杂压电微流体系统驱动控制要求，调节范围为0°-360°，分辨率可为任意精度的用于压电微流体系统的谐波信号相位调节方法，并提供其装置。

解决其技术问题采用的方案之一是，一种用于压电微流体系统的谐波信号相位调节方法，其特征是，它包括以下步骤：

(1)待调相谐波信号sinx以两列正交信号sinx，cosx的形式输入到电路中，其中，sinx信号输入到构造电路中，cosx信号输入到构造电路中；

(2)在构造电路中，主控芯片向t型电阻网络一发送数字控制量k1，经电压转换器一、双极性转换器一处理后，构造得到电压表达式为的模拟信号；在构造电路中，主控芯片向t型电阻网络二发送数字控制量k2，经电压转换器二、双极性转换器二处理后，构造得到电压表达式为的模拟信号；数字控制量k1值由查询余弦构造表tab_cos得到，数字控制量k2值由正弦构造表tab_sin得到；

(3)构造电路构造的电压u12输出与构造电路构造的电压u22输出，同时输入到调理电路中，构造的电压u12和构造的电压u22进行相加及幅值处理，相加得到电压调幅得到最终得到模拟量即相位差为的谐波信号，从而实现相位调节。

相位调节的相位差由主控芯片发送的数字控制量k1，k2决定，数字控制量k1以余弦构造表tab_cos、数字控制量k2以正弦构造表tab_sin的形式存储在主控芯片中，相位调节流程包括以下步骤：

(1)首先，i赋值0，指向tab_cos表及tab_sin表的第0个元素；

(2)判断有无按键按下，若有按键按下，且为按键1“相位+”，则i值加1，进一步判断此时i值是否大于等于ntab，若为是，则i清零；若按下的为按键2“相位-”，则i值减1，进一步判断i是否小于0，若小于0，则i赋值为ntab-1；若无按键按下，则跳转至步骤(4)；

(3)主控芯片向t型电阻网络一发送数字控制量k1＝tab_cos[i]；向t型电阻网络二51发送数字控制量k2＝tab_sin[i]；

(4)显示相位差

(5)返回至步骤(2)。

解决其技术问题采用的方案之二是，一种用于压电微流体系统的谐波信号相位调节装置，其特征是，它包括：构造电路、构造电路、调理电路、主控芯片、按键、显示电路，以及主控芯片存储单元中的余弦构造表tab_cos、正弦构造表tab_sin；待调相谐波信号以两列正交信号sinx，cosx的形式输入到电路中，其中，sinx信号输入到构造电路中，cosx信号输入到构造电路中；所述构造电路包括t型电阻网络一、电压转换器一、双极性转换器一，用于构造得到电压表达式含的模拟量，在构造电路中，主控芯片向t型电阻网络一发送n位的数字控制量k1，控制t型电阻网络一中电子开关的开关状态，t型电阻网络一的输出接电压转换器一，电压转换器一的输出接双极性转换器一；所述构造电路包括t型电阻网络二、电压转换器二、双极性转换器二，用于构造得到电压表达式含的模拟量，在构造电路中，主控芯片向t型电阻网络二发送n位数字控制量k2，控制t型电阻网络二中电子开关的开关状态，t型电阻网络二的输出接电压转换器二，电压转换器二的输出接双极性转换器二；构造电路的输出与构造电路的输出，同时输入到调理电路中；所述调理电路包括加法电路及比例放大电路，其作用是将构造电路及构造电路生成的模拟量相加，并进行电压幅值调整，最终得到模拟量即相位差为的谐波信号，从而实现相位调节。

解决其技术问题采用的方案之三是，一种用于压电微流体系统的谐波信号相位调节装置，其特征是，k1以余弦构造表tab_cos，k2正弦构造表tab_sin的形式存储在主控芯片的存储单元中，

所述tab_cos表格元素解析式为：

所述tab_sin表格元素解析式为：

i取值范围为0到ntab-1。

本发明相位调节的实现思想是先将待处理谐波信号sinx，以正交信号的形式sinx，cosx输入电路中，有针对性地，通过主控芯片、t型电阻网络、电压转换器及双极性转换器，构建构造电路、构造电路，以拟合出模拟量再经求和调幅后得到即通过该方法，将谐波信号从sinx转换为两者之间相位差为从而实现谐波相位的调节，其中，值大小及分辨率可以通过软件自由灵活设置。

本发明的进一步优点为：

(1)当i从0到ntab-1变化时，相位调节范围为0°-360°，相位调节范围宽；

(2)相位分辨率可为任意精度。本发明相位调节分辨率为相位调节分辨率由表格元素数ntab决定，ntab值越大，分辨率越高。例如，ntab值为360时，相位差分辨率为1°；若需要更高的分辨率如0.1°，0.01°，……,只需创建具有更多元素数ntab的表格即可，相位分辨率精度可根据需要通过软件灵活设置，分辨率可为任意精度；

(3)主控芯片只在相位差需要改变时，才向t型电阻网络发送k1，k2，电路对主控芯片处理速度要求不高，频率适应性好，并且电路成本低廉；

(4)相位差参数数字化控制，可连续、线性调节，使用方便；

(5)其科学合理，适用性强，效果佳，能够满足复杂压电微流体系统驱动控制要求。

本发明将结合附图和具体实施进行详细说明，以对本发明的特征及优点进行更深入的了解。

附图说明

图1为谐波信号相位调节原理框图；

图2为图1中所示构造电路原理图；

图3为图1中所示调理电路原理图；

图4为程序流程框图；

图5为本发明谐波信号相位调节装置的一具体实施例；

图6为正交谐波信号发生电路原理图；

图7为谐波信号相位调节实验中得到的波形图。

具体实施方式

图1是谐波信号相位调节原理框图。相位调节装置由主控芯片1、构造电路4、构造电路5、调理电路6、按键电路2和显示电路3构成。

为了实现相位差的调节，谐波信号需要以两列正交信号sinx，cosx的形式输入电路中(可利用微分电路、积分电路或dds电路等电路产生正交信号)，其中sinx信号输入到构造电路4中，cosx信号输入到构造电路5中。

构造电路4用于构造电压表达式含的模拟电信号，该电路包括t型电阻网络一41、电压转换器一42、双极性转换器一43。构造电路5用于构造电压表达式含的模拟电信号，该电路包括t型电阻网络二51、电压转换器二52、双极性转换器二54。

相位调节时，主控芯片1向构造电路4发送数字控制量向构造电路5发送数字控制量构造电路4输出信号构造电路5输出信号

构造电路4的输出u12及构造电路5的输出u22同时输入到调理电路6中。调理电路6先将两模拟量合并相加，得到再进行幅值的调整，得到因此调理电路6输出为得到与sinx相位差为的谐波输出，从而实现相位的调节。

本发明谐波信号相位调节装置中，按键电路2及显示电路3与主控芯片1相连，用于设置及实时显示相位差参数，实现相位差参数的数字化控制。

图2为图1中所示构造电路原理图。该构造电路4包括t型电阻网络一41、电压转换器42、双极性转换器43。

t型电阻网络一41包括若干电阻、电子开关，电阻的阻值有r和2r两种，电子开关数量与主控芯片1处理位数相等，设为n。电子开关的开关状态由主控芯片1发送的n位数字量控制，数字量中每一位分别控制一个电子开关。当控制位为“1”时，对应的电子开关与信号线一接通，电流流向信号线一；当控制位为“0”时，电子开关与信号线二接通，电流流向“地”。在实际的电路中，t型电阻网络一41可由分立元件构成，另外t型电阻网络广泛存在于多种d/a转换器中，可以直接选用。

t型电阻网络一41的信号线一与电压转换器一42(运算放大器)的同相输入端相连，信号线二与电压转换器一42的反相输入端相连。电压转换器一42的输出端与反馈电阻rfb(rfb＝r)相连，反馈电阻的另一端与电压转换器一42的反相输入端相连。

在电子开关的控制下，各电阻支路的电流信号经过电阻网络加权后，由电压转换器一42求和并变换成单极性电压信号输出。可求得，电压转换器一42的输出u11与主控芯片1发送的数字量k1之间的关系为：

这里，令k1的取值范围为[1,2ⁿ-1]，则电压表达式u11中部分的取值范围为为负变量(单极性)，与cos函数的极性分布不一致，因此需要将信号u11进一步送入双极性转换器一43中，转换为双极性信号。

双极性转换器一43本质上是一个加法电路，由运算放大器、电阻r41、r42、r43构成。转换器中，r41的一端接sinx信号，r42的一端接电压转换器一42的输出，r43的一端接运算放大器的输出端，r41、r42、r43的另一端接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地。

可求得，双极性转换器一43的输出为：u12＝-(sinx+2u11)，代入u11并化简得：当k1从1到2ⁿ-1之间变化时，的值域为正负区间对称。令即

则双极性转换器一43的输出为：从而构造出项。

同理，在构造电路5中，主控芯片1向t型电阻网络二51发送的数字量为：

使双极性转换器二53输出从而构造出项。

图3为图1中所示调理电路原理图。调理电路6的作用是将两模拟量u12、u22合并相加，并进行幅值的调整。调理电路6由加法电路及比例放大电路构成。加法电路由运算放大器及电阻r61、r62、r63构成，加法电路输出u3与u12、u22的关系为：u3＝-(u12+u22)。代入u12、u22，进一步可得信号u3随后送入比例放大电路中，比例放大电路由运算放大器及电阻r64及可变电阻r65构成，输出为调节可变电阻r65，使则调理电路6输出uo为：

uo即为整个谐波信号相位调节装置的输出。由此可见，从原始待处理信号sinx，经过一系列处理得到该信号与sinx之间产生了相位差从而实现了谐波信号的相位调节。

图4是谐波信号相位调节程序流程框图。本发明在相位调节过程中，采取了硬件与软件相结合的方式。调相电路中，相位差由主控芯片1发送的控制量k1，k2决定，为了能够正确拟合出项，从而产生相移为的谐波信号，向t型电阻网络一41、t型电阻网络二51发送的数字量k1，k2可提前计算好，以表格的形式存储在主控芯片1的存储单元中，当需要时，直接查表取出即可，即k1＝tab_cos[i]，k2＝tab_sin[i]。

对于本实施例，根据分辨率要求，建立余弦构造表tab_cos及正弦构造表tab_sin，当t型电阻网络电子开关位数为n时，由式子(1)、(2)可得tab_cos表中元素解析式为：

tab_sin表中元素解析式为：

i取值范围为0到ntab-1，当i变动1，输出相位变动量为在建立余弦构造表tab_cos及正弦构造表tab_sin时，应首先根据分辨率要求算出ntab值。

程序流程包括下列步骤：

(1)首先，i赋值0，使其指向tab_cos表及tab_sin表的第0个元素；

(2)判断有无按键按下，若有按键按下，且为按键1(“相位+”)，则i值加1，进一步判断此时i值是否大于等于ntab，若为是，则i清零；若按下的为按键2(“相位-”)，则i值减1，进一步判断i是否小于0，若小于0，则i赋值为ntab-1；若无按键按下，则跳转至步骤(4)；

(3)主控芯片1向t型电阻网络一41发送数字控制量k1＝tab_cos[i]；向t型电阻网络二51发送数字控制量k2＝tab_sin[i]。

(4)显示相位差

(5)返回至步骤(2)；

通过对本发明谐波信号相位电路工作原理的调节阐述，可知，本发明电路具有如下特点

(1)当i从0到ntab-1变化时，相位调节范围为0°-360°，全相位范围可调；

(2)相位分辨率可为任意精度。本发明相位调节分辨率为通过该表达式可知，相位调节分辨率由表格元素数ntab决定，ntab值越大，分辨率越高。例如，表格元素数ntab为360时，相位差分辨率为1°；若需要更高的分辨率如0.1°，0.01°，……,只需创建具有更多元素数ntab的表格即可，相位分辨率精度可根据需要通过软件灵活设置；

(3)主控芯片只在相位差需要改变时，才向t型电阻网络发送k1，k2，电路对主控芯片处理速度要求不高，电路成本低廉，频率适应性好。

(4)相位差参数数字化控制，可连续、线性调节，使用方便。

图5是本发明谐波信号相位调节装置的一具体实施例。各元器件功能、电路连接形式与图1中划分的模块完全对应。

符合本方法的电路形式可有多种，为表达具体化，并不失一般性，本实施例电路中主控芯片及t型电阻网络均是8位的。主控芯片型号为at89s51，用于发送数字控制量k1、k2，识别按键动作，调用处理程序。t型电阻网络可由分立元件构成，另外t型电阻网络也广泛存在于多种d/a转换器中，本实施例中t型电阻网络来自d/a转换器dac0832。除此之外，电路中还包含运算放大器，型号为lm324，以及电阻r41、r42、r43、r51、r52、r53、r61、r62、r63、r64、r65。

对于位数n更高的主控芯片、t型电阻网络，谐波信号相位调节电路的设计方法及工作原理与之类似。

t型电阻网络一41、t型电阻网络二51信号节点与dac0832芯片引脚对应关系如下：

(1)dac0832_1的vref引脚与t型电阻网络一41中的vref端对应为同一信号节点，dac0832_1的iout1、iout2引脚分别与t型电阻网络一41中的iout1、iout2端为同一信号节点；(2)dac0832_2引脚与t型电阻网络一51信号节点的对应关系与(1)相似。

电路中，主控芯片at89s51的p0口同时接dac0832_1及dac0832_2的数据口di0～di7，p2.5引脚接dac0832_1的引脚，p2.6引脚接dac0832_2的引脚，p2.7引脚与dac0832_1及dac0832_2的xfer同时相连，引脚与dac0832_1的引脚及dac0832_2的引脚同时相连。

sinx信号与dac0832_1的vref引脚相连，cosx信号与dac0832_2的vref引脚相连。dac0832_1的iout1、iout2、rfb引脚分别与电压转换器一42的反相输入端、同相输入端、输出端相连；同样，dac0832_2的iout1、iout2、rfb引脚分别与电压转换器二52的反相输入端、同相输入端、输出端相连。

通过这种电路连接形式，主控芯片at89s51可通过p0口将数字控制量k1、k2分别发送到dac0832_1芯片及dac0832_2芯片内t型电阻网络模块的电子开关上。本实施例中，表格元素数ntab选择为360，并且由于at89s51处理位数为8，即n＝8，则发送的数字控制量，由式子(3)、(4)可得，其具体表达式为经电压转换器一42、电压转换器二52处理后，产生信号及

电压转换器一42的输出(引脚1)及sinx信号同时与双极性转换器一43相连。电压转换器二52的输出与cosx信号同时与双极性转换器二53相连。

双极性转换器一43由运算放大器芯片lm324(u21c)、电阻r41、r42、r43构成。r41的一端接sinx信号，r42的一端接电压转换器一42的输出，r43的一端接运算放大器的输出端，r41、r42、r43的另一端接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地。双极性转换器一43的工作原理详见附图2说明，其输出为

同样，双极性转换器二53由运算放大器芯片lm324(u22d)、电阻r51、r52、r53构成。r51的一端接cosx信号，r52的一端接电压转换器二52的输出，r53的一端接运算放大器的输出端，r51、r52、r53的另一端接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地。与双极性转换器一43的输出结果相似，双极性转换器二53的输出为

双极性转换器一43与双极性转换器二53的输出同时输入到调理电路6。调理电路6的作用是将两模拟量合并相加，并进行幅值的调整。调理电路6由加法电路及比例放大电路构成。加法电路由运算放大器lm324及电阻r61、r62、r63构成，用于两模拟信号的相加，经加法电路处理，得到的信号为加法电路输出的信号随后送入比例放大电路中。比例放大电路由lm324及电阻r64，电位器r65构成，其输入输出关系是比例放大电路用于消除uo1表达式中的负号，并将系数调整为1，使调相电路输出与待调相信号幅值相等。整个调理电路6的输入输出关系是：即得到相位差为的谐波输出，从而实现相位的调节。

本发明具体实施例中ntab值选择为360，相位调节分辨率为1°，可满足大多数压电微流体系统控制需要。对于相位调节精度要求更高的应用中，更改程序，设置合适的ntab值，重新计算tab_cos、tab_sin表格，可以实现期望的，更高分辨率的相位差输出。

图6为正交谐波信号发生电路的原理图。作为图5所示具体实施例工作的前提条件，待调相谐波信号需要以两列正交信号(sinx，cosx)的形式输入到电路中。正交谐波信号可利用微分电路、积分电路或dds电路等电路产生。下面给出了一个实用的dds正交谐波信号发生电路，该电路不属于发明本身，但对本发明电路工作原理的理解有帮助。

该电路包括主控芯片at89s51(为与附图5中的at89s51区别，记为at89s51_2)、两dds芯片ad9850(ad9850_1、ad9850_2)、时钟晶振(125mhz)、d触发器74hc74及电阻r71、r72、r73、r72。

ad9850采用“直接数字式频率合成”技术来产生谐波信号，谐波信号的频率及初始相位由at89s51_2来设置，频率分辨率为0.291hz，初始相位分辨率为11.25°。若要得到小于11.25°的相位分辨率，芯片本身无法实现。

电路中，主控芯片at89s51_2的p2口与ad9850_1的d0-d7相连，同时与ad9850_2的d0-d7相连，ad9850_1及ad9850_2采用共同的时钟信号，时钟晶振y2的输出端与ad9850_1的引脚9及ad9850_2的引脚9相连。at89s51的p3.0引脚与ad9850_1的w_clk端(引脚7)相连，at89s51_2的p3.1引脚与ad9850_2的w_clk端(引脚7)相连。时钟晶振的输出与d触发起74hc74的输入端clk(引脚3)相连。at89s51_2的p3.2引脚与74hc74的输入端，d端(引脚2)相连，d触发起74hc74的输出端q(引脚5)与ad9850_1及ad9850_2的fq_ud端(引脚8)相连。

at89s51_2通过w_clk端脉冲向ad9850的控制功能寄存器写入控制字，写完后，fq_ud出现上升沿，使ad9850_1及ad9850_2的频率参数、初始相位值设置同时生效，产生相位差恒定为90°的谐波信号。电路中，ad9850_1输出sinx信号，ad9850_2输出cosx信号。

图7为谐波信号相位调节实验中得到的波形图。在每幅子图中，经过中心点的波形曲线为原始谐波波形，另一波形曲线为调相后谐波波形。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。