精密数字测相及测距应用

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1、第%)卷第)期南京师大学报&自然科学版+KLM4%)NL4)%(((年1OPQN:-ORN:N1/NSNOQ9:-PN/KTQ0/8U&NVWX?VM0Z[=Z=+%(((YYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYY精密数字测相及测距应用曾毓敏2朱小松2华家宁&南京师范大学物理系2南京2%"((#*+5摘要6阐述了精密数字测相的方法2给出了一个自动数字相位计电路及其在精密光电测距中的应用45关键词6相位7测量7光电测距5中图分类号689#)75文献标识码6:75文章编号6"(("$

2、;3"3&%(((+()$((;%$()<引言在各类电测工作中2经常要对信号的相位进行测量4在许多情况下2可以通过对信号的相位差的测量2间接地测出其它待测量4典型的精密模拟测相方法为平衡测相法&或称补偿测相法+4这种方法的原理如图"所示4信号=和参考=分别经过放大2=直接进入相检器2=则先>?>?经过移相器后再进入相检器2调节移相器使平衡相检器输出为零4根据移相器的相移情况2判断并计算出=与=间的相位差4平衡测相>?法的测量精度可达%@A"(((左右2另外此法对低频和高频信号的相位测量都是适用的4但在实际测量应用中2有时需要对相位进行更加精确的测量2模拟

3、测相法要进一步提高测相精度有较大困难4我们知图"平衡测相法道2数字化测量抗干扰能力强2且可以通过各种数据处理方法来消除或减小多种误差2因而数字化测量往往可以获得很高的测量分辨率与精度4同样2在相位测量中2采用数字测相方法亦可获得比模拟平衡测相法更高的测量分辨率与精度4B精密数字测相方法两信号间有相位差C2反映在信号波形上2就是两波形到达相应参考点&如零点或峰值点+有一定的时间差DE4如果设法测出其时间差DE2则相应相位差C为DECFH%@&"+G式中G为信号的周期4采用数字化的方法测出时间差DE2即实现了相位的数字化测量4数字测相的实现方案之一如图%所示

4、4信号=和参考=经放大后2送入方波整形电路2将波形整形为>?方波=和=两方波&或其微分脉冲+分别触发双稳电路2使双稳电路输出一个与两波形相位>I?I2差相关的方波4假如=的下降沿触发双稳电路输出为高电平2=的下降沿触发双稳电路输出?I>I收稿日期!"###$"%$%%基金项目!江苏省光电技术重点实验室开放基金&#’()(*+及江苏省教委自然科学基金&"##’,-./01(((%+资助作者简介!曾毓敏2"#3%$2硕士2南京师范大学物理系副教授2从事光电精密测量及智能仪器的教学与研究4万方数据J;%J曾毓敏!等A精密数字测相及测距应用QQQQQQQQQQQ

5、QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ为低电平!则双稳电路输出的方波"称相位方波#$的高电平宽度对应于$和$间的相位差(%&’相位方波$和基准填充脉冲)输入到门+!当$为高电平时!门+打开!)通过门+!如果门控%*%*信号打开门,!则)进入计数器计数-当$变为低电平时!则)被禁止通过门+(设$频率为.*%*%"与$&/$’同频#!基准填充脉冲频率为.0!相位方波一个周期中计数器计数为1!则相位差为1450.1234,63,6413,64",#5.07式中5为相位方波周期!5为填充脉冲周期!70358

6、503.08.(如果取.03+9999."如.3+999:;!.03+9<:;#!则73+9999!由于计数器分辨率为=+!因而对应相位测量分辨率可达,68+9999(在相位方波频率一定的情况下!进一步提高填充脉冲频率!可进一步提高测相分辨率与精度(因此!这种测相方法可实现高精度的相位测量(图,数字测相方案图,测相方案中!门控信号用来控制一次测量的时间长短!如果取5则+次可对>3?5!?个周期的相位方波进行测量计数!计数数据再取平均作为测量结果!以实现多次测量取平均的测量处理方法(在实际测相过程中!这可以消除或减小因相位随机抖动等所产生的误差!提高测相精

7、度(上述数字式相位测量!对低频相位信号来说容易获得高精度的测量!但是!对于高频相位信号!要想获得高精度的数字测相!就要求填充脉冲的频率要非常高(假设相位信号频率为+99@:;!要获得,68+9999"即73+9999#分辨率的测量!就要求填充脉冲频率要达+999<:;(这样高的频率!不但对填充脉冲产生电路/相位计电路等提出非常苛刻的要求!而且由于微波辐射/串扰等的影响!实际上难以获得高精度测量(解决上述问题的一个有效方法是采用差频测相方案A即用一个频率与待测信号相近的本振信号与其进行混频!得到的低频差频信号再进行相位测量(可以证明!混频前后的信号的相位差

8、保持不变!因而精确测出低频差频信号的相位差!也就精确测出高频信号的相位差(B自动