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(diǎn)漂移、幅度因素,、閘門時(shí)間設(shè)置等問題進(jìn)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(jì)電路,。
關(guān)鍵詞： 相位 零點(diǎn)漂移? 相位測量
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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(jì)數(shù)法相位測量系統(tǒng)中,，設(shè)計(jì)人員往往比較注意填充時(shí)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(diǎn)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(jì)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(jìn)行填充，把填充脈沖以后的相位差信號用脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),，就可以得到單位時(shí)間內(nèi)相位差信號的脈沖個(gè)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(zhǔn)
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(shí)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(zhǔn)的因素主要有二個(gè)：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(shí)際相位值為Ｐｒ，由于通道Ｂ引入的失調(diào)電壓相當(dāng)于增加了一個(gè)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(zhǔn)確的,。
Pm=Pr+Pe??????????? (2)
在實(shí)際中可采用如下改進(jìn)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(zhǔn)進(jìn)行測量，則通道Ａ和Ｂ的實(shí)際相位值為Ｎｒ,，因失調(diào)電壓引起的誤差為Ｎｅ,，所以實(shí)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(zhǔn)進(jìn)行測量，輸入信號的實(shí)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(jìn)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?dāng)?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(shí)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(shí)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(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用正反饋,。
2.4 閘門時(shí)間不準(zhǔn)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(jìn)行多周期測量,。理論上要求在多周期測量中，測量時(shí)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(shí)間，該時(shí)間不可能總是等于被測信號周期的整數(shù)倍,，所以實(shí)際測量時(shí)間應(yīng)該是設(shè)定的測量時(shí)間到下一個(gè)完整的測量周期之前的時(shí)間之和,。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可通過獨(dú)立的具有預(yù)觸發(fā)功能的計(jì)數(shù)器對實(shí)際測量時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù),，用于相位測量時(shí)間的計(jì)算,。
3 實(shí)際應(yīng)用及分析
圖3給出了在一個(gè)基于PCI的相位測量儀中實(shí)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(shí)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(jìn)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(jì)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(dá)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。
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