相位检测在微弱信号测量中的应用

Application of Phase Detecting in Weak Signal Measurement

CHEN Youxian

(College of Information Science & Technology, Donghua University, Shanghai 200051, China)

　　Key words: feedback signal; RC network; natural frequency

　　在工业生产过程中，有很多旋转物体，其内部的温度需要进行测量和控制。诸如，轻纺工业中的烘筒，轧钢机的轧棍，电机的转子，以及化纤工业中的牵伸加热辊等。由于被测物体是高速旋转的，因此必须采用非接触式方式进行温度测量。将铂热电阻和无源RC网络组成一个可以跟随被测物一起旋转的传感器，利用磁耦合将所需要的激励信号非接触地感应到该传感器中，成为无源RC网络的输入信号Vi(参见图1)。该传感器具有选频功能，其输出信号Vo再通过磁耦合非接触地感应出来成为反馈信号V′o。后继的显示控制仪对进行分析处理，再转化成相应的温度，并和给定值进行比较，从而控制被测物的表面温度。

和的关系
2.1V′i和V′o是信号ω?n——自然频率的载体。
　　采用文氏电桥的RC无源网络见图2。该网络具有选频特性，取R1=R2=RT(铂热电阻)，其自然频率ωn为温度T℃的函数，显然，温度T和自然频率ωn呈一一对应的关系。取Fn=ωn/2π，表1描述了温度T和频率Fn对应的关系(部分数据)。而T与V′I和V′o的大小无关。在整个网络的信息传递中，ωn是我们需要的信息，而V′i和V′o只是信息的载体。
2.2的定量关系以及制约
　　是正弦激励信号，ω为其角频率，令=Vimsinωt，则反馈信号。设被测对象某一时刻温度为T，对应铂热电阻的电阻值为RT，RC网络的自然频率ωn=1RTC。取Vim=8V，当激励信号角频率ω＜ωn或ω＞ωn时，测得反馈信号Vom为600mV左右；当激励信号角频率时，Vom理论值为0，实际值为30mV左右。参见图3。

 

　　理论上，Vom=0，但实际测得V′o为几十mV大小的交流信号。原因一，在激励信号中除ω=ω?n的频率外，还有高次谐波的存在。而高次谐波的原因二，印刷线路分布电容的存在使激励信号通过这些分布电容直接耦合给V′o，Vom当然就不等于0了。

3.1获取ωn，推算出被测温度T
　　因为我们事先并不知道被测温度T，但RC网络的ωn是客观存在的，并随T的变化而变化。图1中显示控制仪的功能就是要获得在这一时刻网络的ωn，从而根据表1显示该时刻的被测温度T。
3.2V′i是一个从小到大变化的扫频信号
　　V′i作为激励信号，经RC网络选频获得反馈信号经整流，AD转换，转变为数字量V(n)。激励信号的ω加大一个步长便可获得V(n+1)，ω继续加大便可获得V(n+2)。单片机系统不断进行判断，如V(n)、V(n+1)和V(n+2)的大小相仿，表示激励信号的ω并非ωn。显示控制仪发出的激励信号其ω继续加大，系统继续判断新的V(n)、V(n+1)和V(n+2)，如一旦某一时刻V(n+1)远比V(n)和V(n+2)小，那么，在n+1时刻的激励信号的频率ω就要储存起来，因为该频率ω就有可能是RC无源网络的自然频率ωn，它包含被测对象的温度信息。
3.3利用相位检测锁定ωn
　　因为测量控制系统处在工厂现场中，时刻受到各种各样的干扰。这些干扰的存在，会经常产生瞬间最小值V(n+1)，且满足V(n)V(n+1)以及V(n+2)V(n+1)的条件(见图3)，这个最小值V(n+1)是虚假的，它对应的ω不是我们要的ωn，所以必须剔除。如何辨别最小值V(n+1)是真是假呢?
　　对文氏电桥的RC无源网络进一步分析，其相频特性(理论值)如图4。在ω=ωn处，反馈信号V′o的相位发生跳变。对本检测系统进行实际测量，发现其的跳变比理论值还要大许多。我们完全可以借助于相位的跳变特性来判断最小值V(n+1)的真假。
　　激励信号ω每加大一个步长，只要这个步长恰当
　
判断φn+2减φn+1的值，如→0，则V(n+1)和V(n+2)的相位没有发生跳变，V(n+1)的值虽然很小，但是是虚假的，应剔除。如很大，则V(n)、V(n+1)和V(n+2)的相位发生了跳变，V(n+1)才是真正的最小值。此时刻V(n+1)的ω就是我们要锁定的。参见图4.
3.4小结
　　一旦单片机系统检测到V(n)V(n+1)且V(n+2)V(n+1)；同时它们对应的相位不满足：φn≈φn+1≈φn+2，则锁定此时刻V(n+1)的ω，并存储起来，通过查表显示相应的温度。

　　求取具体的相位大小或者求出具体的相位差的大小与判断相位差是否为零(即相位差检零)不是一个概念。我们的系统只需判断相位有没有跳变，用一个相位差检零系统就能实现。相位差检零系统可以用模拟的方法，也可用数字的方法，或它们的结合，这里不再赘述。