陳誠，戴爾晗，馬亞男

　?。暇┼]電大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210023）

       摘要：通過與傳統(tǒng)的過零點(diǎn)檢測方法作對比，設(shè)計(jì)出一種基于預(yù)測相位的二次平均法測量信號周期（簡稱預(yù)測相位積分法）的方法，通過其核心部件密勒積分器、比較器和計(jì)數(shù)器，對于每個周期信號盡可能準(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)待測信號的脈沖個數(shù)，實(shí)現(xiàn)了頻率測量。該方法有較好干擾能力，結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，成本低廉，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：過零檢測；頻率測量；相位積分

　　中圖分類號：TP353文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.20.022

　　引用格式：陳誠，戴爾晗，馬亞男. 基于過零點(diǎn)檢測方法的改進(jìn)研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（20）：79 81.

0引言

　　現(xiàn)代電子測量技術(shù)［1］主要實(shí)現(xiàn)了提高測量速度和降低測量噪聲。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，測量速度已經(jīng)有了明顯進(jìn)步。但是由于噪聲的緣故，測量的準(zhǔn)確度沒有得到相應(yīng)的提高，特別是在時(shí)間頻率測量領(lǐng)域。

　　在過去的幾十年里，時(shí)間測量技術(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)未知的待測信號的脈沖個數(shù)，就實(shí)現(xiàn)了頻率測量；在未知的待測時(shí)間間隔內(nèi)累計(jì)已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖個數(shù)，就實(shí)現(xiàn)了周期或時(shí)間間隔的測量［2-3］。盡管市場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=10-18 s)級，但是對于信號的時(shí)間間隔或周期測量的誤差仍然很大，這是由于將被測信號經(jīng)過整形后作為閘門信號引起的。

1過零檢測技術(shù)

　　過零檢測是測量周期信號的頻率和周期的最常用的方法［4-5］。過零點(diǎn)是為了測量相位和頻率而選擇的點(diǎn)。當(dāng)測量信號的頻率時(shí)，通常測量參考信號的多個周期數(shù)的一個或多個時(shí)間段。測量多個時(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點(diǎn)在總的測量時(shí)間內(nèi)有小的擾動，最終結(jié)果是以緩慢的測量速率為代價(jià)獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

　　過零檢測的作用可以理解為在交流系統(tǒng)中給主芯片提供一個標(biāo)準(zhǔn)，這個標(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)這個標(biāo)準(zhǔn)。也就是說塑封電機(jī)高、中、低、微轉(zhuǎn)速都對應(yīng)一個導(dǎo)通角，而每個導(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。

　　D5、D6電壓取自變壓器次級A、B兩點(diǎn)，經(jīng)過D5、D6全波整流，形成脈動直流波形，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，在芯片過零檢測輸出端口形成100 Hz脈沖波形，芯片通過判斷，檢測電壓的零點(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：

　　觸發(fā)誤差=

　　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)待測信號源帶來的噪聲有效值，ΔV/ΔT是信號在觸發(fā)點(diǎn)的斜率。

　　而所有的教科書和電子計(jì)數(shù)器對于單次周期測量誤差都描述為：

　　±計(jì)數(shù)誤差±觸發(fā)誤差±標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差

　　理想情況下，如果被測信號存在一個斜率無窮大的觸發(fā)點(diǎn)位置，則被測信號的周期測量會非常準(zhǔn)確；但實(shí)際情況下，大多數(shù)信號并不存在這樣的觸發(fā)點(diǎn)，反而由于公式（1）是假定被測信號在實(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)誤差可能會更大［7］。

2改進(jìn)的過零檢測研究

　　平均法用于測量領(lǐng)域由來已久，目前最準(zhǔn)確的基本電參量測量方法是采用積分法實(shí)現(xiàn)的直流電壓測量，多周期平均測量技術(shù)也用于降低周期測量的誤差［8-9］。無論是測量周期、頻率或相位,錯誤的來源都是一樣的。當(dāng)測量一個信號用于同步，快速和準(zhǔn)確的測量是必需的。這也意味著通過頻率濾波和測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。

　　測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)算電信號的零點(diǎn)，由一系列電信號的零點(diǎn)計(jì)算電信號的頻率。具體步驟如下：

　?。?）獲取至少兩個周波過負(fù)（或者正）峰值后的過零點(diǎn)時(shí)間序列TZ1,TZ2,TZ3…；

　?。?）確定用于計(jì)算第i個過零點(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)；

　?。?）在起始積分點(diǎn)時(shí)間TSi前，邏輯控制電路給出控制信號使積分器接通內(nèi)置開關(guān)，電容短接，輸出電壓回到零；

　?。?）在起始積分點(diǎn)時(shí)間TSi，邏輯控制電路給出控制信號使積分器斷開內(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 ；

　?。?）計(jì)算第i個過零點(diǎn)時(shí)間，在積分開始時(shí)間TSi和積分結(jié)束時(shí)間TEi之間存在一個過零點(diǎn)，該過零點(diǎn)時(shí)間表示為： 

　?。?）重復(fù)步驟（2）~（6），依次得到被測電信號的若干個過零點(diǎn)時(shí)間TZ1,TZ2,TZ3，…，TZi,TZ(i+1),TZ(i+2)，…，TZn ，其中，i=1，2，…，n，n為正整數(shù)；被測電信號的周期為：Tpi=TZ(i+1)-TZ(i)，被測電信號的頻率為

　　起始積分時(shí)間等同于信號的相位，該方法的核心思想是在一個盡可能準(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)比較法獲取了兩個過零點(diǎn)后，采用本文所述方法獲取第3個過零點(diǎn)的示意圖。圖4是獲得第7個和第8個過零點(diǎn)的示意圖。

　　本文的方法中使用了兩次平均的方法。第一次是對被測信號的平均(積分)。對被測信號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本系統(tǒng)而言相當(dāng)于在原始信號中疊加的直流電平，不影響周期測量的準(zhǔn)確度。第二次是對起始積分時(shí)間和結(jié)束積分時(shí)間取平均。由于預(yù)測的積分時(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)致可能會在理想的積分時(shí)間之前或者之后開始積分，但是對于任何一個從負(fù)電平到正電平或者從正電平到負(fù)電平的信號進(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)間會導(dǎo)致積分時(shí)間延長，過晚的開始積分時(shí)間會導(dǎo)致積分時(shí)間縮短，因此采用了針對起始積分時(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)測誤差。預(yù)測誤差總會存在，但選擇適當(dāng)?shù)拈_始積分時(shí)間可以降低預(yù)測誤差。

　　為了衡量系統(tǒng)的優(yōu)劣，針對以上問題通過實(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)來描述被測模擬信號。信號基波頻率為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)中獲取每個周期信號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)的電平的絕對值的差值較大會引起測量結(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量的準(zhǔn)確度。更大或者更小的噪聲對系統(tǒng)測量精度影響的數(shù)據(jù)這里不一一列出，噪聲均值大小會影響固定相位積分法的測量結(jié)果，無論噪聲大小如何，優(yōu)化后的相位積分法獲得的測量結(jié)果精度非常接近固定相位積分法的測量精度，如圖5所示。

　　采用此種方法的測量結(jié)果大致和噪聲的均值成正比，積分法的直流電壓測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本系統(tǒng)而言相當(dāng)于在原始信號上疊加的直流電平。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)期望也會不相等，因此均值不為零的噪聲也會影響測量結(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量，本文所述的方法對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。

　　參考文獻(xiàn)

　　［1］ 張永瑞.電子測量技術(shù)基礎(chǔ)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2014.

　?。?］ 江玉潔,陳辰,周渭.新型頻率測量方法的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào),2004,25(1):30-33.

　?。?］ 馬獻(xiàn)果,焦陽.頻率測量方法的改進(jìn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào),2004,25(S1):120-121.

　?。?］ 高小花,馮西安.低噪聲多級放大信號調(diào)理的濾波技術(shù)研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2014，33(3):76-78,81.

　?。?］ 朱士明,劉鎮(zhèn)清,魏墨盦,等.提高測量聲時(shí)精度的“過零檢測數(shù)字平均法”［J］.聲學(xué)技術(shù), 1990(3):36-40.

　?。?］ 劉靜章,王進(jìn)旗,王鳳波.過零檢測技術(shù)在相位測量中應(yīng)用［J］.電子測量技術(shù),2004(5):67-68.

　?。?］ 劉俊俊,廖小松,袁嫣紅.提高過零檢測精度的方法研究［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2009,22(10):80-81.

　?。?］ AGHAZADEH R, LESANI H, SANAYE PASAND M, et al. New technique for frequency and amplitude estimation of power system signals［J］.IEE Proceedings of Generation,Transmission and Distribution, 2005, 152(3):435-440.

　?。?］ WALL R W. Simple methods for detecting zero crossing［C］.Conference of the IEEE on Industrial Electronics Society, 2003，3:2477-2481.

　?。?0］ 戴爾晗.一種交流電的相位差的數(shù)字化測量方法［P］.中國:CN102928666A,2013-02-13.

　?。?1］ 戴爾晗.一種電信號頻率的數(shù)字化測量方法［P］.中國:CN104808055A,2015-07-29.

　?。?2］ 漆淼,郭建強(qiáng).基于互相關(guān)函數(shù)的微弱信號檢測儀的研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(9):14-17.