高精度测相技术比较

高精度测相方法的研究和比较

摘要：相位测量技术的研究由来已久，最早的研究和应用是在数学的矢量分析和物理学的圆周运动以及振动学方面，随之在电力部门、机械部门、航空航天、地质勘探、海底资源等方面也相应得到重视和发展。随着电子技术和计算机技术的发展，相位测量技术得到了迅速的发展。本文主要阐述常用相位测量技术和数字测相，介绍这两种方法里面的一些具体测量手段并做了详细研究和比较。

关键词：常用相位测量技术；数字测相；

The Study and Compare of Phase Measurement Technology

WEI Kaiming, LIU Zhihao

(University of Electronic Science and Technology of China, School of Automation Engineering)

Abstract: Phase measurement technology research for a long time, is the earliest research and application of vector analysis in mathematics and the circular motion of physics science and vibration. Then in the electric power department, the department of mechanical, aerospace, geological exploration, undersea resources also pay attention to and develop corresponding. With the development of electronic technology and computer technology, Phase measurement technology got rapid development. This article mainly elaborates common phase measurement technology and digital phase, introduces the two methods in some specific measures and made a careful study and comparison.

Key words:Common phase measurement technology；Digital phase measurement；Comparison

现代相位测量技术的发展可分为三个阶段:第一阶段是在早期采用的诸如阻抗法、和/差法、三电压法、比对法和平衡法等,虽然方法简单,但测量精度较低；第二阶段是利用数字专用电路、微处理器、FPGA、CPLD、DSP等构成测相系统,使测量精度得以大大提高；第三阶段是充分利用计算机及智能化虚拟测量技术,从而大大简化设计程序,增强功能,使得相应的产品精度更高、功能更全。

与此同时,各种新的算法也随之出现。目前国内外各种新的测量算法、测量手段和新的设计方法及器件也随之出现，主要包括有:用专用数字处理芯片,利用正余弦表格及傅立叶变换方法来计算相位差,可以大大提高测量精度。采用新器件及设计方法提高相位测量精度及展宽

工作频率范围。采用新的算法来进行相位测试。另外,现代电子测量仪器与智能测量技术、计算机技术紧紧结合在一起,每一次计算机技术和电子技术的革命都带来电子测量仪器的革命。因此,只有不断的采用新技术和新方法,才能使相位计的性能和精度得以不断的提高。

本文就常用相位测量技术里面的脉冲填充计数法和模拟内插法与脉冲填充法相结合的方法做了详细的原理分析和比较。重点讨论了基于数字信号处理的相位测量技术，其中具体包括一阶线性插值法、基于FFT的相位分析法、基于三角信号的相关检测测量算法和相关分析法的原理以及各种方法的比较。

1 基本概述

相位是信号的三种特性之一(另两种分别为频率、幅度),它说明谐波振荡在某一瞬时的状态。在数学上定义为正弦或余弦函数的幅角,其数学模型为:

相位测量主要有以下技术指标:

a)频率范围:相位测量能够保证测量精确度的频率范围。

b)相位量程:相位测量无模糊测相的范围。

c)相位准确度(精度):相位测量的实际值与理论值的偏离程度。

d)电平范围:相位测量在规定的幅度-相位误差范围内所容许的最大信号电平范围。

e)相位分辨率(相位灵敏度):相位测量能够分辨的最小相位单位。它通常为显示最低一位

数字代表的相位值。

f)相位极性:相位测量结果极性是以参考信号的相位作为参考来定的。

g)相位-频率特性:相位测量准确度或误差随信号频率变化的特性。

h)幅-相误差:包括两路信号电平作同方向变化通道引入的相位差和两路信号幅值不等引起

的相位误差。

根据现在的技术条件，本文将对常用相位测量技术和数字信号处理的相位测量技术的几种方法进行对比和研究。通过对几项技术的基本原理、适用范围和优缺点等等方面的对比研究，介绍了当前主流的技术。

2 常用相位测量技术

本章主要介绍脉冲填充计数法和模拟内插法的基本原理、适用范围和优缺点等方面。

2.1 脉冲填充计数法1

目前最常用的相位测量方法是脉冲填充计数法,也叫电子计数法。其原理如图1所示2。

图1 脉冲填充计数法原理

工作原理是:将混频后同频率的参考信号e r,与测距信号e m,经过通道1、2进行放大整形使之成为方波,两个方波信号分别加至检相触发器的R、S端。e r方波的下降沿使触发器置位,Q 端输出高电平,相当于用e r方波的下降沿作为与门I的“开门”信号。此时频率为f cp的高频填充脉冲可以通过它进入计数器,计数器开始计数。经过对应于相位差Δφ的一段时间之后,e m 方波的下降沿又使触发器复位,Q端输出低电平,此e m相当于与门I的“关门”信号。当Q端输出低电平时,填充脉冲不能通过与门I,因此计数器停止工作。由于鉴相器输出端所得到的检相脉冲宽度(即触发器的置位时间),对应着两比相信号的相位差Δφ,所以计数器在该段时间内所累计的通过与门I的填充脉冲个数的多少就反映了检相脉冲的宽度的长短,计数个数再乘以填充脉冲的周期就是检相脉冲宽度的近似值,也即反映测距信号e m和参考信号e r之间的相位差Δφ。

为了消除大气抖动及接收电路噪声等的影响,减少偶然误差,提高测距精度,一般测量多个周期(假设M个周期)内的检相结果,然后再取平均,这时就在检相电路中增加一个闸门时间（f1表示混频后低频信号的频率),图中与门Ⅱ用来实现此功能。通常情况下M可取几万到几百万。可以看出,以上相位测量的实质是通过测量检相脉冲的时间宽度来得到相位的,所以是一个时间测量的问题(相位的实质就是与时间差有关,所以本文中提到时间测量与相位测量可认为是同一概念)。

由于其原理简单,所以常用在对测时、测相精度要求不高的场合,从理论上讲其固有误差为±1个填充脉冲周期的时间量化误差,提高填充脉冲的频率可以减小此误差,对测量精度有一定的提高。

2.2 模拟内插法34

脉冲填充法在单次测量时,由于计数器的读数只能是整数,所以会产生±1个填充脉冲周期的时间量化误差,它是由检相脉冲与填充脉冲的上升或下降不同步所造成的,这是该方法的一个固有缺点,即使增大填充脉冲的频率这个误差仍然存在。为了减小误差,用模拟内插放大测时的方法,对脉冲填充法中由于脉冲不同步而引起的不足一个周期的微小时间进行测量,以进一步提高测量精度。