基于過零點(diǎn)檢測(cè)方法的改進(jìn)研究*

陳 誠(chéng)，戴爾晗，馬亞男

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023)

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基于過零點(diǎn)檢測(cè)方法的改進(jìn)研究*

陳 誠(chéng)，戴爾晗，馬亞男

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023)

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。

過零檢測(cè)；頻率測(cè)量；相位積分

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=10-18s)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。

圖1 過零檢測(cè)原理圖

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：

(1)

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。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

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：

(1)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；

(4)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；

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。

圖3 傳統(tǒng)方法的積分過程示意圖

圖4 本文方法的積分過程示意圖

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。

圖5 測(cè)量結(jié)果

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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The research of improving method of detection based on zero over

Chen Cheng,Dai Erhan,Ma Yanan

(College of Automation, Nanjing University of Posts andTelecommunications, Nanjing 210023, China)

In this paper, compared with the traditional zero-crossing detection method for comparison, it devised a method based on average cycle secondary measurement signal prediction phase (referred to the estimated phase integration). Through its core components Miller integrator, comparator and a counter, for each cycle of the signal, it as accurately as possible at the same phase point integrates and in the standard time adds up the number of signal to be measured, thus frequency measurement is achieved. The method has anti-interference ability, simple structure, high accuracy, low cost and good engineering application value.

zero-crossing detection; measurement frequency; phase integration

青年科學(xué)基金項(xiàng)目(61305095)

TP353

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.022

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.

2016-06-22)

陳誠(chéng)(1991-)，通信作者，男，碩士，主要研究方向：儀器儀表測(cè)量與控制研究。E-mail:chencheng1199@163.com。

戴爾晗(1973-)，男，博士，副教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)與測(cè)控系統(tǒng)研究。

馬亞男(1994-)，女，碩士，主要研究方向：信號(hào)周期檢測(cè)。