填脉冲法在非同频信号相位检测中的应用

　　引　言

　　相位的高精度测量是许多光学绝对距离干涉仪系统[1]中所要解决的关键问题之一。测相的方法可分为模拟式和字式两大类。模拟式的相位计大多数基于乘法器[2]或极性相关[3]的原理,其特点是被测相位与相位计输出电压相应,精度不高;数字式的测相方法包括基于锁相倍频[4]、极性相关[5]、数字滤波[6],复合式[7]、补偿型[8]和同步检式[9]等等。这些方法各有特点,但大多数比较复杂,较简单实用的还是在过零检测填脉冲式基础上发展起来的一些进方案[10-12]。“填脉冲式”相位测量方法是通过检测两信号(A,B)电压过零点的时间差δ,并同时测量信号的周期T,由δ/T计算出相位值,如图1(a)所示。其中,δ和T都是以脉冲数表示的。由于测量是基于信号过零点的,所以信号过零点的判定精度对测量精度而言是很关键的。

　　由于目前可以购买到的测相仪器都要求被测信号频率相同,而在我们的实验中需要测量信号在某一时刻的相位值[如图1(b)],并要求具有计数功能,因此我们根据“填脉冲式”测量原理重新设计了相位计。

　　1　电路原理

　　1.1　设计思路

　　非同频信号在某一时刻的相位测量:如果两信号频率不同,如图1(b)所示,当需要检测信号B上升沿到来时刻信号A对应的相位值时,可以通过测量A的周期值Ta和A相对于B前沿的时间差δa实现,=δa/Ta。在这种情况下,要求测相卡的单次测量精度要高。计数功能:例如,测量0.1s内信号A的脉冲数时,可以将信号A作为一计数器的时钟,以10Hz的标准方波控制计数器数据的读取,所得脉冲数δ即为测量结果。

　　1.2　原理图

　　图2为设计的测量卡原理框图。它可分为以下几部分:信号输入、控制逻辑、计数器和数据锁存等。晶振的频率(时钟)为20-40MHz,高速同步计数器(Counter)不停地对时钟信号进行计数,寄存器Reg-ister1,2分别用于锁存信号A,B的边沿时刻。数字滤波和控制逻辑由两片GAL16V8实现,数据的读取包括中断和查询两种方式。CounterA用于计量A信号在固定时间内的脉冲数,Register3锁存此计数结果。

　　本文采用74ALS161高速同步计数器构成的时标系统作为方波边沿时刻的度量基准。作为时标当然是频率越高越好,因为频率越高测量的量化误差越小,所能测量的信号频率上限越高。但是,随着时钟频率上升,被测信号一个周期内对应计数器的计数值变大,随之要求计数器的位数增加,这样会给同步计数器的设计带来困难;同时,随着时钟频率上升,时钟周期变短,一个时钟周期内要完成计数器翻转、计数值稳定后锁存等功能,对计数、锁存等器件的要求很高。根据普通器件设计计数器所能达到的极限情况,本文选择时钟频率为20-40MHz,对应时钟周期为25-50ns。