相位檢測儀誤差處理淺析

摘要：對正弦信號的相位檢測是測量工程的重要環節。本文討論了利用模擬相乘法進行相位檢測的原理，對實際信號處理流程和測量誤差進行了分析，并進行了仿真研究，使得測量分辨率精確到0.5°，結果表明：模擬相乘法從實時性、檢測精度和抑制噪聲能力等方面都優于其他常規方法。

關鍵詞：檢測 誤差 分析

1 概述

隨著相位測量技術廣泛應用于國防、科研、生產、醫療等各個領域，對相位測量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發展，在高頻范圍內，相位測量在醫療部門有著尤其重要的意義，對于高頻相位的測量，用傳統的指針式儀表顯然不能夠滿足所需的精度要求，隨著電子技術以及微機技術的發展，高精度的測量分辨率以及直觀化的特點得到越來越廣泛的應用。為實現相位的精確測量，在此提出一種新的測量方法：模擬相乘法（差量相位檢測），首先對兩路信號相乘來得到兩者的相差，然后通過濾波，等相關處理最后得到相差與電壓的一組關系，用電壓來表征相差的大小，實現對相位的高精度檢測。以下論證此種相位檢測方法。

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2 測試方法

硬件模塊測試：系統本身由五個獨立的模塊構成，所以分五部分進行調試，首先對移相網絡，調整R和C的值，以此來對輸出波形的相位進行調整。對于乘法電路，我們主要測試三點，確保差分輸入電壓低于AD834的限定電壓，避免系統出現失真；為有效抑制輸入直接耦合到輸出的直通分量，在輸出端采用RC耦合方式；最后應注意在-VS與電源負極串接一個電阻，用來消除R/C產生的自激振蕩。通過設置時鐘信號確保濾波電路達到1HZ的截止頻率。時鐘電路，選擇合適的RA和RB值，并改變RW的位置，使輸出為一占空比q=1的100HZ方波信號，最后，我們將所得到的方波信號送入示波器測試并計算出信號頻率，使其為100HZ。對于運放電路，我們分別對兩級進行測量，對第一級，我們將信號發生器產生的正弦波分為兩路，一路直接送入示波器的X通道，另一路經過一級運放后再送入示波器的Y通道，我們同時觀察兩路信號，并計算出Y通道信號的電壓幅值，通過調整Rf和R1的值，以此來獲得100倍的電壓增益。第二級的測試方法與其相同，得到50倍的電壓增益。級聯后就得到了5000倍的電壓增益。先進行模塊測試程序的調試，待全部通過之后將所有的模塊串接起來進行整體調試。最后，把產生的有相位差的兩路信號接入相位測試電路系統進行相位差的測量。我們將得到一組相差與電壓的一一對應關系，把相差轉化成了可識別的電壓，即用電壓的大小來表征來路信號的相位差。

測試中為了達到高的精確度，我們常常需要對各模塊進行反復調試與測量，在進行整體調試時，也要經常檢測各個模塊的性能狀況，確保他們正常工作。

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3 測試數據

設計中我們要求檢測兩路10MHZ正弦信號之間的相差，由此對相位測量時，選取了10MHZ頻點進行測試，將信號發生器的輸出頻率調節到10MHZ即可實現。對系統進行整體測試后，所得數據如下表所示：

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4 誤差分析

4.1 移相網絡的誤差分析 由于移相網絡是基于阻容移相的原理，因此電阻與電容的阻值大小將決定移相的范圍，由于采用的是常規的金屬膜電阻，其阻值與理論計算值存在誤差，因此造成實際移相范圍與理論計算值存在一定的偏差。

4.2 乘法電路的誤差分析 在實際的電路中，乘法器的兩輸入端必定參雜著一定程度的干擾信號和噪聲，尤其當兩路信號的相位差較小時，噪聲和干擾的存在將在很大程度上對相位測量的精度造成影響。

4.3 濾波電路的誤差分析 在相位測量過程中，受電子元器件性能的影響，濾波器的截止頻率不可能做到我們所期望的那么小，截頻處的信號衰減也不可能很快，截止頻率以上的信號并沒有被完全濾除，必定有一小部分跟隨相差信號通過了濾波電路到達下一級，這個過程將不可避免的產生誤差。

4.4 時鐘電路的誤差分析 555構成的占空比可調的多諧振蕩器，是基于對外接電容C的充放電過程來實現的。但實際中，受限于實際電子元件RA、RB和C的影響，所以產生的波形幅值與頻率將會與設定的預期值形成一定的誤差。不可能做到標準的100HZ頻率方波信號。

4.5 高精度運放電路的誤差分析 實際上，集成運放并非一個完全理想的器件，例如，它的Avd、KCMR等均為有限值，考慮到這些參數對電路的影響，必定對放大特性產生誤差。另外，在放大器的輸入端也不可避免的伴隨有一定的干擾噪聲信號，同樣也會造成一定的誤差。

由于電路本身結構的限制，以及電路中兩路信號的串擾等影響，都會使得系統存在一定的誤差。

5 結束語

本系統達到了對兩路10MHZ正弦信號中0.10到100相差的精確檢測，并最終用可識別的電壓來表征相差的大小。該系統還可以得到進一步的擴展和完善，使該方法能夠被廣泛應用。隨著相位測量技術廣泛應用于國防、科研、生產、醫療等各個領域，對相位測量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發展，在高頻范圍內，相位測量在醫療部門有著尤其重要的意義。

參考文獻：

[1]謝自美.電子線路設計·實驗·測試（第二版）.華中理工出版社，2000.

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