李 凱，韓 焱，楊 瑞

(1. 中北大學 信息探測與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051； 2. 中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

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變頻信號的自適應(yīng)相位測量系統(tǒng)設(shè)計

李 凱1,2，韓 焱1,2，楊 瑞2

(1. 中北大學 信息探測與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051； 2. 中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

相位是傳感器響應(yīng)周期性物理量的重要參數(shù)，相位變化量的高精度測量可以提供更加詳細的物理信息. 針對現(xiàn)有相位測量方法不能自適應(yīng)描述信號細節(jié)的問題，以及存在傳感器輸出變頻信號時，高頻信號的相位測量值比低頻信號少的問題，設(shè)計了基于壓控振蕩器控制技術(shù)的自適應(yīng)相位測量系統(tǒng). 通過分析傳感器輸出變頻信號的調(diào)理技術(shù)，研究壓控振蕩器的控制技術(shù)，設(shè)計了隨信號頻率變化自動調(diào)整測相間隔的相位測量模型，建立了相位測量系統(tǒng)誤差模型，解決了傳感器輸出周期信號時測相間隔固定的問題，實現(xiàn)了傳感器輸出周期信號的自適應(yīng)等相位間隔測量. 并通過磁傳感器響應(yīng)模擬旋轉(zhuǎn)磁場的相位測量實驗，驗證了該系統(tǒng)的相位測量能力，能夠滿足實際測量相位的需求，并同時輸出信號的周期.

傳感器； 變頻信號； 自適應(yīng)相位測量； 壓控振蕩器

周期信號的相位測量在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用. 傳感器響應(yīng)周期性物理量時，輸出類正弦信號，并且隨著物理量變化的快慢，輸出信號的周期發(fā)生變化，在一些特殊物理環(huán)境，信號的周期性為物理量的主要反饋信息[1]，例如機械旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的周期性[2]、 霍爾器件的交替變化量[3]、 光學信號相位變化測量[4]、 加速度傳感器對旋轉(zhuǎn)彈的角速率響應(yīng)值[5]等，因此對相位的測量具有較強的工程應(yīng)用意義.

傳感器信號的相位響應(yīng)了物理量的變化快慢、 周期規(guī)律，以及物理量的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、 沖擊效應(yīng)、 振動效應(yīng)等.

相位測量方法主要有相位脈寬平均法、 數(shù)字信號處理法. 相位脈寬法主要通過高精度積分、 比較電路實現(xiàn)，數(shù)字信號處理法主要通過采集電路、 片上程序共同完成[6]. 其中基于數(shù)字信號處理的相位測量，采用的算法主要有傅里葉變換[7]、 小波變換[8]等方法. 兩者各有其特點，相位脈寬平均法速度快，數(shù)字信號處理法精度高.

在相位測量的研究過程中，為了提高機械旋轉(zhuǎn)周期的測量精度，文獻[9]以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速脈沖為周期信號，對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相位和幅度的波動進行處理，提高了轉(zhuǎn)子的相位測量精度. 機械在高速旋轉(zhuǎn)時的波動會造成旋轉(zhuǎn)周期測量信號的穩(wěn)定性，形成信號相位的波動，文獻[10]結(jié)合偶對稱小波和二階牛頓插值方法，解決了采集噪聲和諧波噪聲對相位測量精度的影響. 針對高頻信號的相位模糊特性，文獻[11]對信號上升和下降邊沿進行了重點分析和處理，采用相位分組的方法對相位的細節(jié)進行了分析，并對銣原子鐘的頻率進行了測量； 文獻[12]采用時間和空間的轉(zhuǎn)換方法，依據(jù)電子器件的精度，實現(xiàn)了高頻信號的相位測量. 文獻[13] 采用頻率跟蹤算法對變頻信號進行零相位對準，通過復(fù)變最小均方誤差算法估計相位，應(yīng)用于不平衡電壓的相位測量，分析結(jié)果表明該方法優(yōu)于卡爾曼濾波和傳統(tǒng)相位跟蹤方法. 針對物理振動的信號上升快速特點，楊輝躍等采用DFT[14]、 LMS[15]等數(shù)字信號分析的方法設(shè)計了相位差測量方法，并應(yīng)用于振動信號的檢測. 文獻[16]采用并聯(lián)比較A/D轉(zhuǎn)換器對邊沿相位進行檢查，實現(xiàn)了低延時固定精度相位測量. 上述相位測量方法主要針對相位精度和高頻信號，對變頻信號的處理研究較少.

本文采用片上電路系統(tǒng)對傳感器輸出的周期信號進行相位分析，避免了對積分器精度的依賴，以及信號后處理的影響，實現(xiàn)了周期信號的自適應(yīng)均勻相位直接測量.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

在進行相位測量時，為了適應(yīng)傳感器響應(yīng)物理量變頻效應(yīng)的相位測量，尤其是該周期信號頻率變化較快時，相位測量精度降低的問題； 同時解決模數(shù)轉(zhuǎn)換后同一信號在一個周期內(nèi)低頻輸出的相位值比高頻多的問題，尤其是在瞬態(tài)響應(yīng)時信號瞬間上升后快速回落的情況； 并實現(xiàn)非程序運算處理的直接相位測量，本文設(shè)計自適應(yīng)相位測量系統(tǒng)采用模擬信號處理和FPGA控制結(jié)合的方法實現(xiàn).

自適應(yīng)相位測量系統(tǒng)主要包括傳感器信號處理部分、 信號周期分析部分和信號相位分析部分. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示. 其中傳感器信號處理部分主要針對傳感器輸出的信號進行預(yù)處理，并通過正負閾值法得到“零”相位點； 信號周期分析部分主要針對“零”相位信號進行信號周期分析，得到信號的周期； 信號相位分析部分主要針對周期信號進行壓控振蕩控制，利用壓控振蕩脈沖計數(shù)值轉(zhuǎn)換為相位信息.

圖1 自適應(yīng)相位測量系統(tǒng)總構(gòu)成圖

1.1 傳感器信號閾值分析

傳感器信號閾值分析流程如圖 2 所示. 傳感器直接輸出的信號都含有不同頻率成分的噪聲，針對不同類型的物理量進行初次濾波，降低物理環(huán)境的高頻干擾信號，提高傳感器信號的信噪比. 經(jīng)過初級濾波后的傳感器信號強度比較低，一般在mV級，后續(xù)電路很難準確判斷，故對初級濾波后的信號進行一級放大； 放大后的信號再進行次級濾波，主要采用低通濾波器對放大后的信號進行處理，保留低頻信號，抑制毛刺噪聲信號； 之后進行二級放大，采用自動增益控制信號的強度，使信號的強度控制在一定范圍，解決信號強度大范圍變化時，線性放大后信號消頂?shù)膯栴}.

二級放大的信號進行信號閾值分析，采用正閾值和負閾值共同比較分析，對大于“零”的信號使用正閾值，對小于“零”的信號使用負閾值，信號在正負閾值之間則判斷為噪聲. 之后進行零相位求解，把信號依次通過負閾值、 正閾值判斷為一個零相位出現(xiàn)，把負閾值和正閾值的中點作為零相位點.

圖2 信號閾值分析流程

1.2 傳感器信號周期分析

通過傳感器信號閾值分析得到傳感器輸出周期信號的零相位時刻點，即周期信號的開始，通過該信號控制計數(shù)值鎖存，之后計數(shù)器清零，并重新啟動計數(shù)器. 信號分析的流程如圖 3 所示.

圖3 信號周期分析流程

計數(shù)器對壓控振蕩器輸出的脈沖進行計數(shù)，接收到零相位信號后計數(shù)值鎖存在FPGA控制器中. FPGA控制比較當前計數(shù)值ni+1和預(yù)設(shè)相位最小間隔計數(shù)值Num，若ni+1大于Num值，則說明在前半個周期設(shè)置的計數(shù)個數(shù)較小，傳感器輸出信號的頻率提高了，為了達到等間隔相位測量，需提高下一周期壓控振蕩器的輸出頻率； 若ni+1小于Num值，則需降低下一周期壓控振蕩器的輸出頻率，其電壓控制可通過式(1)實現(xiàn).

(1)

式中：i=0,1,2,3,…； ΔVi為壓控振蕩器的前一控制電壓和后一控制電壓的差；Vi為FPGA控制輸出的控制壓控振蕩器的電壓值；Fi+1為壓控振蕩器輸出的頻率；a,b為壓控振蕩器的工作系數(shù).

系統(tǒng)剛開始工作時，信號輸入一個周期后，檢測到零相位點，之后啟動壓控振蕩器，此時V0選用壓控振蕩器可控的最大電壓，即壓控振蕩器輸出最高頻率的脈沖，半個周期后按式(1)進行迭代. 為了得到精確的相位值，F(xiàn)i可以選擇較大的值.

1.3 傳感器信號相位分析

傳感器信號轉(zhuǎn)換過程如圖 4 所示.

圖4 傳感器信號轉(zhuǎn)換過程

圖4中原信號為傳感器輸出的原始信號. 該頻率變化的原信號經(jīng)過信號模擬電路的閾值分析后得到周期變化點； 經(jīng)過模擬比較器的信號周期分析得到零相位； 零相位電壓作為壓控振蕩器重新啟動和計數(shù)器清零的控制位，壓控振蕩器輸出計數(shù)脈沖，F(xiàn)PGA控制器實時接收計數(shù)器輸出的計數(shù)值Ni，則傳感器輸出信號的相位ω為

(2)

式中：Nj為計數(shù)器實時輸出的計數(shù)結(jié)果，j=0,1,2,3,…；Num為預(yù)設(shè)相位最小間隔計數(shù)值.

1.4 傳感器信號測量系統(tǒng)誤差

通過該系統(tǒng)測量的相位誤差主要由Num值決定，若Num=2m，則周期信號最小相位分辨能力為

(3)

式 (3) 中若m=10，則最小相位分辨能力為0.175 781 25°，若m=12，則最小相位分辨能力為0.043 945 312 5°.

信號的誤差與ΔVi有關(guān)，其產(chǎn)生的半周期相位誤差為

(4)

另外系統(tǒng)輸出相位值的誤差與ΔVi有關(guān)，其產(chǎn)生的測量相位誤差為

(5)

例如Num=1 024，ni=1 000，則δ=-4.218 75°，δi最大值為4.218 75°，i=1時，δi有最小值約為0.004°.

2 系統(tǒng)測試

試驗時在模擬旋轉(zhuǎn)磁場環(huán)境中安裝磁傳感器，磁傳感器輸出周期變化的正弦信號，按圖 2 的方法對磁傳感器的信號進行閾值分析，其中壓控振蕩器使用振蕩頻率可達500 kHz、 線性度為0.05% FS 的AD654芯片，對其線性度進行標定，a為48.25，b為0.347 7. FPGA控制壓控振動器，系統(tǒng)設(shè)置Num為1 024，即每一周期產(chǎn)生1 024個相位測量值，使系統(tǒng)理論測量相位的間隔可以達到0.175 781 25°，即每隔一個相位測量間隔輸出一個相位值.

試驗時由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生100 Hz的交變旋轉(zhuǎn)磁場，磁傳感器放置在亥姆霍茲線圈中心，響應(yīng)交變旋轉(zhuǎn)的磁場，磁傳感器輸出周期為100 Hz的信號.

圖5 為實驗時自適應(yīng)相位測量系統(tǒng)輸出的信號波形圖. 圖中①為測量的相位值，②為測量的零相位點，③為磁傳感器采集交變磁場周期.

如圖 5 所示，零相位點使能輸出，表示磁場交變一圈的開始，磁傳感器采集交變磁場周期控制壓控振蕩器改變輸出所對應(yīng)的振蕩脈沖頻率，同時，使計數(shù)器從0開始計數(shù)這一脈沖信號，在半個周期時間內(nèi)自適應(yīng)計滿1 024個脈沖后達到最大相位360°. 同時可以看出，磁場交變頻率恒定時，磁傳感器采集交變磁場周期恒定不變，控制輸出的零相位穩(wěn)定，且信號的零相位點與相位輸出值的零點一一對應(yīng)，表明傳感器數(shù)據(jù)更新率高，不存在系統(tǒng)漂移誤差的影響，性能良好.

圖5 自適應(yīng)相位測量實驗結(jié)果

從圖 5 中可以看到，旋轉(zhuǎn)磁場的頻率達到100 Hz時，信號零相位輸出頻率為99.01 Hz，誤差為0.99%FS； 相位測量值的信號半周期頻率為200.03 Hz，誤差為0.15%FS，兩者誤差的不一致由FPGA在控制過程中產(chǎn)生.

通過上述實驗測量可以說明，本文設(shè)計的系統(tǒng)可以測量周期信號的相位值，同時輸出信號的周期，以及物理量的旋轉(zhuǎn)零點.

3 結(jié) 論

針對傳感器響應(yīng)的物理量變化周期時，同一信號在一個周期內(nèi)低頻輸出的相位值比高頻多的問題，同時解決直接相位測量的問題，提出了一種基于壓控振蕩的自適應(yīng)相位測量系統(tǒng)； 利用傳感器信號預(yù)處理技術(shù)，設(shè)計了傳感器信號的閾值分析模塊，實現(xiàn)了正負閾值平均法的零相位檢測； 利用FPGA控制器和壓控振蕩器技術(shù)，設(shè)計了傳感器信號周期分析模塊，實現(xiàn)了傳感器信號的直接周期檢測； 并通過FPGA控制器對壓控振蕩器的計數(shù)值進行控制，實現(xiàn)了等間隔相位測量值輸出； 分析了相位測量的系統(tǒng)誤差； 在模擬旋轉(zhuǎn)磁場環(huán)境的條件下，進行了磁傳感器信號相位測量實驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)對變頻信號具有較好的相位測量特性，可以有效測量信號的相位，所設(shè)計系統(tǒng)適應(yīng)于變頻信號的相位測量，同時輸出物理量的信號周期和旋轉(zhuǎn)零點.

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Design of Adaptive Phase Measurement System for Variable-Frequency Signal

LI Kai1,2, HAN Yan1,2, YANG Rui2

(1. Shanxi Key Laboratory of Signal Capturing and Processing, North University of China, Taiyuan 030051, China；2. School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Phase is an important signal parameter when the sensor responds to the periodic physical variable，and phase variations can provide more detailed physical information when the phase is in high precision measurement. In view of the problem that the existing phase measurement method can’t describe the details of the signal, and the phase measurement of the high frequency signal is less than the low frequency signal, an adaptive phase measurement system was designed using VCO control technique. In order to design the system, the characteristics of the variable frequency signal were analyzed, the control technology of V-F oscillator was studied, the phase measurement model was designed, and the model was adjusted automatically with the change of the signal frequency. And the structure of the system phase measurement error was constructed, which solved the problem of measuring the width of the phase when the sensor output frequency conversion cycle signal. Adaptive phase interval measurement of periodic signals is realized. The phase measurement capability of the system is verified using the experimental results, which measured the signal of magnetic sensors in the phase measurement of the rotating magnetic field and measured the signal period.

sensor; variable-frequency signal; adaptive phase measurement; voltage controled oscillator

2016-02-23

李 凱(1979-)，男，講師，博士生，主要從事信號與信息處理、 傳感器技術(shù)、 慣性制導技術(shù)的研究.

1673-3193(2016)05-0506-05

TP212； TH86

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.05.013