摘 要： 論述了相位檢測(cè)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(duì)影響相位測(cè)量" title="相位測(cè)量">相位測(cè)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(cè)量
?
相位測(cè)量在激光測(cè)距" title="激光測(cè)距">激光測(cè)距、扭矩測(cè)量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，相位檢測(cè)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(cè)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(duì)系統(tǒng)的影響，卻忽略了前端信號(hào)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(duì)系統(tǒng)的影響。本文著重對(duì)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(cè)量的原理
相位測(cè)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(duì)信號(hào)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(jiǎn)單，成本低，性能優(yōu)良，被視為相位檢測(cè)的經(jīng)典方法。圖1給出了填充計(jì)數(shù)法測(cè)相的原理框圖。
在理想情況下，同頻的正弦信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)整形電路（過零檢測(cè)）后，得到方波信號(hào)，方波信號(hào)經(jīng)過鑒相器后得到兩路輸入信號(hào)的相位差信號(hào)，對(duì)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(hào)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(hào)的脈沖個(gè)數(shù)Nphase，填充脈沖信號(hào)" title="脈沖信號(hào)">脈沖信號(hào)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(cè)信號(hào)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(cè)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(hào)。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(hào)，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(huì)造成鑒相的錯(cuò)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(cuò)誤的相位差Ｐｅ，則使用傳統(tǒng)的單邊沿檢測(cè)方法測(cè)到的相位值為Ｐｍ，可以得到式(2)，顯然測(cè)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(cè)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(cè)得的相位值Ｎｍ，可以表示為式(3)。由對(duì)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(cè)量，輸入信號(hào)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(hào)。
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(hào)調(diào)理后方波邊沿不夠陡峭
信號(hào)經(jīng)過比較器進(jìn)行處理后得到脈沖信號(hào)，在理想情況下，該信號(hào)可以作為數(shù)字邏輯信號(hào)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(hào)送給FPGA等高速響應(yīng)器件，則FPGA獲取的信號(hào)可能是經(jīng)過１μs后才穩(wěn)定的一連串?dāng)?shù)字脈沖信號(hào)，錯(cuò)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(dòng)。這主要是由比較器輸出脈沖信號(hào)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(duì)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(jí)微分電路，微分電路可以明顯提升脈沖信號(hào)的邊沿。
2.3 輸出結(jié)果受輸入信號(hào)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(hào)幅度對(duì)比較器輸出結(jié)果的影響并且提高比較器對(duì)小信號(hào)的靈敏度，對(duì)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(cè)量中不僅要測(cè)量相位差信號(hào)，還要測(cè)量待測(cè)信號(hào)的周期。為了提高精度，往往對(duì)相位信號(hào)進(jìn)行多周期測(cè)量。理論上要求在多周期測(cè)量中，測(cè)量時(shí)間必須為被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，但是在相位測(cè)量?jī)x器中，一般要求可以人為地設(shè)定測(cè)量時(shí)間，該時(shí)間不可能總是等于被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)間應(yīng)該是設(shè)定的測(cè)量時(shí)間到下一個(gè)完整的測(cè)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(duì)實(shí)際測(cè)量時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，用于相位測(cè)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(cè)量?jī)x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(hào)phaseA的處理電路，對(duì)于輸入信號(hào)phaseB是完全相同的。相位信號(hào)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(duì)小信號(hào)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(duì)其進(jìn)行邊沿的銳化，兩路輸入信號(hào)的相同邊沿的脈沖信號(hào)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(hào)即為單邊的相位使能信號(hào)，經(jīng)過緩沖后給FPGA用于填充計(jì)數(shù)。
在輸入正弦波信號(hào)頻率為1kHz、峰峰值為1V、填充頻率為20MHz的測(cè)試環(huán)境下，該相位測(cè)量?jī)x分辨率達(dá)到0.01度，測(cè)試精度優(yōu)于0.03度。該電路完全可以作為激光測(cè)距、扭矩測(cè)量等應(yīng)用的前端處理部分。
參考文獻(xiàn)
[1]金寧.用于相位法激光測(cè)距的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光電子·激光,2001,12(8):864-867.
[2]汪友生.相位法激光測(cè)距的實(shí)現(xiàn)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,29(4):424-427.
[3]張志勇.一種基于相位測(cè)量的激光測(cè)距方法[J].光電工程,2006,33(8):75-78.