《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 測試測量 > 業(yè)界動態(tài) > 相位檢測系統(tǒng)中誤差的消除*

相位檢測系統(tǒng)中誤差的消除*

2008-03-13
作者:李向陽, 庹先國, 穆克亮

  摘 要: 論述了相位檢測系統(tǒng)的原理和引起誤差的原因,,提出了消除誤差的方法,著重對影響相位測量" title="相位測量">相位測量精度的零點漂移,、幅度因素,、閘門時間設(shè)置等問題進行了分析,,提出了相應(yīng)的解決措施,,并給出了具體的設(shè)計電路,。
  關(guān)鍵詞: 相位 零點漂移? 相位測量

?

  相位測量在激光測距" title="激光測距">激光測距、扭矩測量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,,相位檢測的精度直接決定系統(tǒng)的整體性能,。在傳統(tǒng)的填充計數(shù)法相位測量系統(tǒng)中,設(shè)計人員往往比較注意填充時鐘頻率對系統(tǒng)的影響,,卻忽略了前端信號調(diào)理電路中零點漂移和整形后方波邊緣的陡峭程度對系統(tǒng)的影響,。本文著重對這些非理想情況引起的誤差進行討論,并給出解決的方法,。
1 相位測量的原理
  相位測量的方法很多,主要分為兩類:填充計數(shù)法和傅式變換法,。傅式變換法因需要高速的ADC對信號進行過采樣等原因而成本較高,,其精度受限于ADC的采樣精度。而填充記數(shù)法結(jié)構(gòu)簡單,,成本低,,性能優(yōu)良,被視為相位檢測的經(jīng)典方法。圖1給出了填充計數(shù)法測相的原理框圖,。


  在理想情況下,,同頻的正弦信號,經(jīng)過信號整形電路(過零檢測)后,,得到方波信號,,方波信號經(jīng)過鑒相器后得到兩路輸入信號的相位差信號,對其用固定頻率的脈沖進行填充,,把填充脈沖以后的相位差信號用脈沖計數(shù)器進行計數(shù),,就可以得到單位時間內(nèi)相位差信號的脈沖個數(shù)Nphase,填充脈沖信號" title="脈沖信號">脈沖信號是用本地振蕩器產(chǎn)生的固定頻率的方波,,其頻率為Flocal,,則被測信號的相位差Vphase為式(1):
  Vphase=360×?????????????????? (1)


2 誤差原因及解決方法
2.1 過零檢測不準

  如圖2所示,在理想情況下,,使用過零比較后,,得到的是占空比為50%的方波,但是在實際應(yīng)用中,,很難得到占空比為50%的方波信號,。引起過零比較失準的因素主要有二個:比較器" title="比較器">比較器的輸入失調(diào)電壓" title="失調(diào)電壓">失調(diào)電壓和接地網(wǎng)絡(luò)的噪聲。其中比較器的輸入失調(diào)電壓是主要因素,,接地網(wǎng)絡(luò)的噪聲可以通過就近增加去耦電容和改善電源的紋波來降低,。圖2中A、B分別為兩路相位差信號,,假設(shè)通道B的比較器引入輸入失調(diào)電壓Ve,,則通道B的比較電壓為Ve,而不是零電平,,這就會造成鑒相的錯誤,。如圖2所示,通道A和B的實際相位值為Pr,,由于通道B引入的失調(diào)電壓相當于增加了一個錯誤的相位差Pe,,則使用傳統(tǒng)的單邊沿檢測方法測到的相位值為Pm,可以得到式(2),,顯然測得的相位結(jié)果是不準確的,。
  Pm=Pr+Pe??????????? (2)
在實際中可采用如下改進方法:觀察通道B的下降沿,如果以通道A和B的下降沿為基準進行測量,,則通道A和B的實際相位值為Nr,,因失調(diào)電壓引起的誤差為Ne,所以實際測得的相位值Nm,,可以表示為式(3),。由對稱原理很容易得到式(4)。無論是以上升沿或是下降沿為基準進行測量,輸入信號的實際相位是相同的,,即式(5),。由式(2)、(3),、(4),、(5)可得式(6)。如圖2中C的脈沖寬度即為2倍的相位差信號,。
  Nm=Nr-Ne??????????? (3)
  Ne=Pe?????????????? (4)
  Nr=Pr?????????????? (5)
  Pm+Nm=Pr+Pe+Nr-Ne=Pr+Nr=2×Nr?????????????? (6)
2.2 信號調(diào)理后方波邊沿不夠陡峭
  信號經(jīng)過比較器進行處理后得到脈沖信號,,在理想情況下,該信號可以作為數(shù)字邏輯信號使用,。但在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn),,如果直接把比較器輸出的脈沖信號送給FPGA等高速響應(yīng)器件,則FPGA獲取的信號可能是經(jīng)過1μs后才穩(wěn)定的一連串數(shù)字脈沖信號,,錯誤的相位差脈沖使系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性受到很大影響,,致使輸出結(jié)果有較大的跳動。這主要是由比較器輸出脈沖信號的邊沿不夠陡峭所致,,而影響比較器該性能的主要因素是壓擺率,。
  要解決此問題,除了在對比較器選型時選取具有較大壓擺率的器件外,,還可以在比較器的后端加一級微分電路,,微分電路可以明顯提升脈沖信號的邊沿。
2.3 輸出結(jié)果受輸入信號幅度影響較大
  在理想情況下,,比較器的放大倍數(shù)是無窮大的,,但實際中比較器的放大倍數(shù)是有限的。為了降低輸入信號幅度對比較器輸出結(jié)果的影響并且提高比較器對小信號的靈敏度,,對比較器進行電路設(shè)計時應(yīng)采用正反饋,。
2.4 閘門時間不準確
  在相位測量中不僅要測量相位差信號,還要測量待測信號的周期,。為了提高精度,,往往對相位信號進行多周期測量。理論上要求在多周期測量中,,測量時間必須為被測信號周期的整數(shù)倍,,但是在相位測量儀器中,一般要求可以人為地設(shè)定測量時間,,該時間不可能總是等于被測信號周期的整數(shù)倍,,所以實際測量時間應(yīng)該是設(shè)定的測量時間到下一個完整的測量周期之前的時間之和。在實際設(shè)計過程中,,可通過獨立的具有預觸發(fā)功能的計數(shù)器對實際測量時間進行計數(shù),用于相位測量時間的計算。


3 實際應(yīng)用及分析
  圖3給出了在一個基于PCI的相位測量儀中實際應(yīng)用的電路,。限于篇幅,,在該圖中只給出了輸入信號phaseA的處理電路,對于輸入信號phaseB是完全相同的,。相位信號phaseA經(jīng)過二極管限幅后送給比較器LM319,,比較器采用正反饋以提高對小信號的響應(yīng)效果,同時能提高輸出脈沖的邊沿陡峭度,,LM319的上拉電阻也應(yīng)選用小的阻值以提高響應(yīng)速度,,比較器輸出的脈沖經(jīng)過74LS04反相門緩沖以后用微分電路對其進行邊沿的銳化,兩路輸入信號的相同邊沿的脈沖信號用作由與非門搭建的RS觸發(fā)器的輸入,,觸發(fā)器輸出的信號即為單邊的相位使能信號,,經(jīng)過緩沖后給FPGA用于填充計數(shù)。
  在輸入正弦波信號頻率為1kHz,、峰峰值為1V,、填充頻率為20MHz的測試環(huán)境下,該相位測量儀分辨率達到0.01度,,測試精度優(yōu)于0.03度,。該電路完全可以作為激光測距、扭矩測量等應(yīng)用的前端處理部分,。
參考文獻
[1]金寧.用于相位法激光測距的電路系統(tǒng)設(shè)計[J].光電子·激光,2001,12(8):864-867.
[2]汪友生.相位法激光測距的實現(xiàn)[J].北京工業(yè)大學學報,2003,29(4):424-427.
[3]張志勇.一種基于相位測量的激光測距方法[J].光電工程,2006,33(8):75-78.

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點,。轉(zhuǎn)載的所有的文章,、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認版權(quán)者,。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,,請及時通過電子郵件或電話通知我們,,以便迅速采取適當措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟損失,。聯(lián)系電話:010-82306118,;郵箱:[email protected]