陳誠(chéng),，戴爾晗，馬亞男
?。暇┼]電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,，江蘇 南京 210023）
摘要：通過與傳統(tǒng)的過零點(diǎn)檢測(cè)方法作對(duì)比，設(shè)計(jì)出一種基于預(yù)測(cè)相位的二次平均法測(cè)量信號(hào)周期（簡(jiǎn)稱預(yù)測(cè)相位積分法）的方法,，通過其核心部件密勒積分器,、比較器和計(jì)數(shù)器，對(duì)于每個(gè)周期信號(hào)盡可能準(zhǔn)確地在相同相位點(diǎn)上開始進(jìn)行積分,，在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)累計(jì)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù),，實(shí)現(xiàn)了頻率測(cè)量。該方法有較好干擾能力,，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，測(cè)量精度高,，成本低廉,，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：過零檢測(cè),；頻率測(cè)量,；相位積分
中圖分類號(hào)：TP353文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.20.022
引用格式：陳誠(chéng)，戴爾晗,，馬亞男. 基于過零點(diǎn)檢測(cè)方法的改進(jìn)研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2016,35（20）：79 81.
0引言
現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)［1］主要實(shí)現(xiàn)了提高測(cè)量速度和降低測(cè)量噪聲。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步,，測(cè)量速度已經(jīng)有了明顯進(jìn)步,。但是由于噪聲的緣故，測(cè)量的準(zhǔn)確度沒有得到相應(yīng)的提高,，特別是在時(shí)間頻率測(cè)量領(lǐng)域,。
在過去的幾十年里，時(shí)間測(cè)量技術(shù)得到了快速的發(fā)展,。計(jì)數(shù)式頻率和時(shí)間測(cè)量原理中,，通過其核心部件比較器和計(jì)時(shí)器，在已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)累計(jì)未知的待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù),，就實(shí)現(xiàn)了頻率測(cè)量,；在未知的待測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)累計(jì)已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖個(gè)數(shù)，就實(shí)現(xiàn)了周期或時(shí)間間隔的測(cè)量［2-3］,。盡管市場(chǎng)上可以買到的頻率計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖間隔可以達(dá)到20 pm,，在實(shí)驗(yàn)室，采用遠(yuǎn)紫外光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖間隔可以達(dá)到as（1 as=10-18 s)級(jí)，但是對(duì)于信號(hào)的時(shí)間間隔或周期測(cè)量的誤差仍然很大,，這是由于將被測(cè)信號(hào)經(jīng)過整形后作為閘門信號(hào)引起的,。
1過零檢測(cè)技術(shù)
過零檢測(cè)是測(cè)量周期信號(hào)的頻率和周期的最常用的方法［4-5］。過零點(diǎn)是為了測(cè)量相位和頻率而選擇的點(diǎn),。當(dāng)測(cè)量信號(hào)的頻率時(shí),，通常測(cè)量參考信號(hào)的多個(gè)周期數(shù)的一個(gè)或多個(gè)時(shí)間段。測(cè)量多個(gè)時(shí)間段有利于減少相位噪聲引起的誤差,。相位噪聲使得過零檢測(cè)點(diǎn)在總的測(cè)量時(shí)間內(nèi)有小的擾動(dòng),，最終結(jié)果是以緩慢的測(cè)量速率為代價(jià)獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。
過零檢測(cè)的作用可以理解為在交流系統(tǒng)中給主芯片提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的起點(diǎn)是零電壓,，可控硅導(dǎo)通角的大小就是依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。也就是說塑封電機(jī)高,、中,、低、微轉(zhuǎn)速都對(duì)應(yīng)一個(gè)導(dǎo)通角,，而每個(gè)導(dǎo)通角的導(dǎo)通時(shí)間是從零電壓開始計(jì)算的,，導(dǎo)通時(shí)間不一樣，導(dǎo)通角度的大小就不一樣,，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速就不一樣［6］,。電路示意圖如圖1所示。
D5,、D6電壓取自變壓器次級(jí)A,、B兩點(diǎn)，經(jīng)過D5,、D6全波整流,，形成脈動(dòng)直流波形，電阻分壓后,，再經(jīng)過電容濾波,，濾去高頻成分，形成C點(diǎn)電壓波形,；當(dāng)C點(diǎn)電壓大于0.7 V時(shí),，三極管Q2導(dǎo)通，在三極管集電極形成低電平,；當(dāng)C點(diǎn)電壓低于0.7 V時(shí),，三極管截止，三極管集電極通過上拉電阻R4,，形成高電平,。這樣通過三極管的反復(fù)導(dǎo)通,、截止，在芯片過零檢測(cè)輸出端口形成100 Hz脈沖波形,，芯片通過判斷,，檢測(cè)電壓的零點(diǎn)。
當(dāng)輸入頻率的變化反映在輸出時(shí)需要大量的加工方法來進(jìn)行時(shí)間的很大延遲,，通用的觸發(fā)誤差可以表示為：
觸發(fā)誤差=
其中X是計(jì)數(shù)器輸入通道帶來的噪聲（在某些計(jì)數(shù)器中小于數(shù)百微伏,，在某些計(jì)數(shù)器中則可達(dá)數(shù)百毫伏），en表示在計(jì)數(shù)器帶寬內(nèi)待測(cè)信號(hào)源帶來的噪聲有效值,，ΔV/ΔT是信號(hào)在觸發(fā)點(diǎn)的斜率,。
而所有的教科書和電子計(jì)數(shù)器對(duì)于單次周期測(cè)量誤差都描述為：
±計(jì)數(shù)誤差±觸發(fā)誤差±標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差
理想情況下，如果被測(cè)信號(hào)存在一個(gè)斜率無窮大的觸發(fā)點(diǎn)位置,，則被測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量會(huì)非常準(zhǔn)確,；但實(shí)際情況下，大多數(shù)信號(hào)并不存在這樣的觸發(fā)點(diǎn),，反而由于公式（1）是假定被測(cè)信號(hào)在實(shí)際的觸發(fā)點(diǎn)和理想的觸發(fā)點(diǎn)之間是一根直線的情況下推導(dǎo)出來的,，導(dǎo)致觸發(fā)誤差可能會(huì)更大［7］。
2改進(jìn)的過零檢測(cè)研究
平均法用于測(cè)量領(lǐng)域由來已久,，目前最準(zhǔn)確的基本電參量測(cè)量方法是采用積分法實(shí)現(xiàn)的直流電壓測(cè)量,，多周期平均測(cè)量技術(shù)也用于降低周期測(cè)量的誤差［8-9］。無論是測(cè)量周期,、頻率或相位,錯(cuò)誤的來源都是一樣的,。當(dāng)測(cè)量一個(gè)信號(hào)用于同步,，快速和準(zhǔn)確的測(cè)量是必需的,。這也意味著通過頻率濾波和測(cè)量延遲可引入低頻相位失真。本文設(shè)計(jì)的目的是減少由于多次過零點(diǎn)（兩個(gè)以上的各時(shí)間段）引起的頻率誤差,，并通過提前或延遲過零減少相位誤差［10-12］,。
本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2，主要包括密勒積分器,、過零比較器,、計(jì)數(shù)器及邏輯控制、晶體振蕩器電路,、顯示電路等,。
測(cè)量過程是初始化積分器，使積分輸出電壓回到零,，根據(jù)計(jì)算得到的積分開始時(shí)間進(jìn)行模擬積分,，記錄積分開始時(shí)間，在積分器輸出電壓再次回到零時(shí)停止積分,，記錄積分結(jié)束時(shí)間,，由積分開始時(shí)間和積分結(jié)束時(shí)間計(jì)算電信號(hào)的零點(diǎn)，由一系列電信號(hào)的零點(diǎn)計(jì)算電信號(hào)的頻率。具體步驟如下：
?。?）獲取至少兩個(gè)周波過負(fù)（或者正）峰值后的過零點(diǎn)時(shí)間序列TZ1,TZ2,TZ3…,；
（2）確定用于計(jì)算第i個(gè)過零點(diǎn)時(shí)間的起始積分點(diǎn)時(shí)間 TSi,，其計(jì)算公式為TSi=TZ(i-1)+T×C,，其中T是根據(jù)過零點(diǎn)TZ(i-1),TZ(i-2),TZ(i-3)，…計(jì)算得出的平均周期,，C∈(0.5,1),；
（3）在起始積分點(diǎn)時(shí)間TSi前,，邏輯控制電路給出控制信號(hào)使積分器接通內(nèi)置開關(guān),，電容短接，輸出電壓回到零,；
?。?）在起始積分點(diǎn)時(shí)間TSi，邏輯控制電路給出控制信號(hào)使積分器斷開內(nèi)置開關(guān)S2,，開始一次積分過程,；
（5）當(dāng)積分器輸出電壓再次回到零時(shí),，記錄積分結(jié)束時(shí)間TEi ,；
（6）計(jì)算第i個(gè)過零點(diǎn)時(shí)間,，在積分開始時(shí)間TSi和積分結(jié)束時(shí)間TEi之間存在一個(gè)過零點(diǎn),，該過零點(diǎn)時(shí)間表示為：
（7）重復(fù)步驟（2）~（6）,，依次得到被測(cè)電信號(hào)的若干個(gè)過零點(diǎn)時(shí)間TZ1,TZ2,TZ3,，…，TZi,TZ(i+1),TZ(i+2),，…,，TZn ，其中,，i=1,，2，…,，n,，n為正整數(shù)；被測(cè)電信號(hào)的周期為：Tpi=TZ(i+1)-TZ(i),，被測(cè)電信號(hào)的頻率為
起始積分時(shí)間等同于信號(hào)的相位,，該方法的核心思想是在一個(gè)盡可能準(zhǔn)確的相位上開始進(jìn)行積分,。
具體的積分過程可以參見圖3和圖4。圖3是采用傳統(tǒng)的過零點(diǎn)比較法獲取了兩個(gè)過零點(diǎn)后,，采用本文所述方法獲取第3個(gè)過零點(diǎn)的示意圖,。圖4是獲得第7個(gè)和第8個(gè)過零點(diǎn)的示意圖。
本文的方法中使用了兩次平均的方法,。第一次是對(duì)被測(cè)信號(hào)的平均(積分),。對(duì)被測(cè)信號(hào)的積分可以將起始積分時(shí)間和結(jié)束積分時(shí)間之間均值為零的噪聲濾除；起始積分時(shí)間和結(jié)束積分時(shí)間之間均值不為零的噪聲對(duì)本系統(tǒng)而言相當(dāng)于在原始信號(hào)中疊加的直流電平,，不影響周期測(cè)量的準(zhǔn)確度,。第二次是對(duì)起始積分時(shí)間和結(jié)束積分時(shí)間取平均。由于預(yù)測(cè)的積分時(shí)間Tsi（相位）和理想的積分時(shí)間之間可能存在一些偏差,，導(dǎo)致可能會(huì)在理想的積分時(shí)間之前或者之后開始積分,，但是對(duì)于任何一個(gè)從負(fù)電平到正電平或者從正電平到負(fù)電平的信號(hào)進(jìn)行積分，在輸出為零的時(shí)候停止積分,，其過程可以參見圖3,、圖4?？梢钥闯鲞^早的開始積分時(shí)間會(huì)導(dǎo)致積分時(shí)間延長(zhǎng),，過晚的開始積分時(shí)間會(huì)導(dǎo)致積分時(shí)間縮短，因此采用了針對(duì)起始積分時(shí)間和結(jié)束積分時(shí)間取平均的方法來獲取過零點(diǎn)從而降低過早積分或過晚積分產(chǎn)生的誤差,。其中第一次平均消除了噪聲峰值的影響,，使得周期測(cè)量的誤差和噪聲均值相關(guān)；第二次平均消除了部分過早或過晚積分引起的誤差,，這里稱之為預(yù)測(cè)誤差,。預(yù)測(cè)誤差總會(huì)存在，但選擇適當(dāng)?shù)拈_始積分時(shí)間可以降低預(yù)測(cè)誤差,。
為了衡量系統(tǒng)的優(yōu)劣,，針對(duì)以上問題通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，模擬噪聲環(huán)境,，采用了采樣頻率為50 MHz的采樣數(shù)據(jù)來描述被測(cè)模擬信號(hào)。信號(hào)基波頻率為50 Hz,，幅值為100 V,；添加2、3,、5,、7次諧波，其幅值分別為31 V,、10 V,、32 V,、25 V和10 V，諧波的相位隨機(jī)生成,；添加幅值為10 V的隨機(jī)噪聲,。
由于在在實(shí)際系統(tǒng)中獲取每個(gè)周期信號(hào)的理想的相同相位點(diǎn)并開始積分實(shí)現(xiàn)難度較大，而在此仿真系統(tǒng)中,，可以在一個(gè)數(shù)字模擬環(huán)境下直接獲取基波的相位,，然而起始積分點(diǎn)和結(jié)束積分點(diǎn)的電平的絕對(duì)值的差值較大會(huì)引起測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的，因此接下來的工作就需要大量的數(shù)據(jù)去驗(yàn)證這樣的方法,，保守估計(jì)在采用優(yōu)化數(shù)據(jù)時(shí),，推測(cè)相位積分法獲取的周期數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度比傳統(tǒng)電子計(jì)數(shù)器的準(zhǔn)確度高50~100倍。
3結(jié)論
相位積分法可以獲得傳統(tǒng)電子計(jì)數(shù)器高倍度精度,，可以大大提高周期測(cè)量的準(zhǔn)確度,。更大或者更小的噪聲對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度影響的數(shù)據(jù)這里不一一列出，噪聲均值大小會(huì)影響固定相位積分法的測(cè)量結(jié)果,，無論噪聲大小如何,，優(yōu)化后的相位積分法獲得的測(cè)量結(jié)果精度非常接近固定相位積分法的測(cè)量精度，如圖5所示,。
采用此種方法的測(cè)量結(jié)果大致和噪聲的均值成正比,，積分法的直流電壓測(cè)量精度仍然受到均值不為零的噪聲影響，而均值不為零的噪聲對(duì)本系統(tǒng)而言相當(dāng)于在原始信號(hào)上疊加的直流電平,。由于均值不為零的噪聲在某一段時(shí)間內(nèi)的均值與其數(shù)學(xué)期望也會(huì)不相等,，因此均值不為零的噪聲也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。到目前為止,，已知的均值不為零的噪聲主要分布在非常低的頻段,，其影響幾乎可以忽略不計(jì)。相比較于直流電壓測(cè)量,，本文所述的方法對(duì)均值不為零的噪聲仍然有一定的抑制能力,，但希望下一步的研究能使其有更進(jìn)一步的提高。
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