相位檢測(cè)在微弱信號(hào)測(cè)量中的應(yīng)用
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在非接觸測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體內(nèi)部溫度時(shí)，所獲取的反饋信號(hào)相當(dāng)微弱，有可能會(huì)受到瞬間低電平信號(hào)的干擾。本文介紹一種利用相位檢測(cè)，來(lái)判斷所獲取的反饋信號(hào)是真是假，從而鎖定真信號(hào)并正確顯示被測(cè)對(duì)象溫度的方法。
關(guān)鍵詞：反饋信號(hào)；RC網(wǎng)絡(luò)；自然頻率
2.1V′i和V′o是信號(hào)ω?n——自然頻率的載體。
采用文氏電橋的RC無(wú)源網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖2。該網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，取R1=R2=RT(鉑熱電阻)，其自然頻率ωn為溫度T℃的函數(shù)，顯然，溫度T和自然頻率ωn呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。取Fn=ωn/2π，表1描述了溫度T和頻率Fn對(duì)應(yīng)的關(guān)系(部分?jǐn)?shù)據(jù))。而T與V′I和V′o的大小無(wú)關(guān)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞中，ωn是我們需要的信息，而V′i和V′o只是信息的載體。
2.2的定量關(guān)系以及制約
是正弦激勵(lì)信號(hào)，ω為其角頻率，令=Vimsinωt，則反饋信號(hào)。設(shè)被測(cè)對(duì)象某一時(shí)刻溫度為T，對(duì)應(yīng)鉑熱電阻的電阻值為RT，RC網(wǎng)絡(luò)的自然頻率ωn=1RTC。取Vim=8V，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)角頻率ω＜ωn或ω＞ωn時(shí)，測(cè)得反饋信號(hào)Vom為600mV左右；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)角頻率時(shí)，Vom理論值為0，實(shí)際值為30mV左右。參見(jiàn)圖3。
因?yàn)槲覀兪孪炔⒉恢辣粶y(cè)溫度T，但RC網(wǎng)絡(luò)的ωn是客觀存在的，并隨T的變化而變化。圖1中顯示控制儀的功能就是要獲得在這一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)的ωn，從而根據(jù)表1顯示該時(shí)刻的被測(cè)溫度T。
3.2V′i是一個(gè)從小到大變化的掃頻信號(hào)
V′i作為激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)RC網(wǎng)絡(luò)選頻獲得反饋信號(hào)經(jīng)整流，AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量V(n)。激勵(lì)信號(hào)的ω加大一個(gè)步長(zhǎng)便可獲得V(n+1)，ω繼續(xù)加大便可獲得V(n+2)。單片機(jī)系統(tǒng)不斷進(jìn)行判斷，如V(n)、V(n+1)和V(n+2)的大小相仿，表示激勵(lì)信號(hào)的ω并非ωn。顯示控制儀發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)其ω繼續(xù)加大，系統(tǒng)繼續(xù)判斷新的V(n)、V(n+1)和V(n+2)，如一旦某一時(shí)刻V(n+1)遠(yuǎn)比V(n)和V(n+2)小，那么，在n+1時(shí)刻的激勵(lì)信號(hào)的頻率ω就要儲(chǔ)存起來(lái)，因?yàn)樵擃l率ω就有可能是RC無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的自然頻率ωn，它包含被測(cè)對(duì)象的溫度信息。
3.3利用相位檢測(cè)鎖定ωn
因?yàn)闇y(cè)量控制系統(tǒng)處在工廠現(xiàn)場(chǎng)中，時(shí)刻受到各種各樣的干擾。這些干擾的存在，會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生瞬間最小值V(n+1)，且滿足V(n)V(n+1)以及V(n+2)V(n+1)的條件(見(jiàn)圖3)，這個(gè)最小值V(n+1)是虛假的，它對(duì)應(yīng)的ω不是我們要的ωn，所以必須剔除。如何辨別最小值V(n+1)是真是假呢?
對(duì)文氏電橋的RC無(wú)源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步分析，其相頻特性(理論值)如圖4。在ω=ωn處，反饋信號(hào)V′o的相位發(fā)生跳變。對(duì)本檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其的跳變比理論值還要大許多。我們完全可以借助于相位的跳變特性來(lái)判斷最小值V(n+1)的真假。
激勵(lì)信號(hào)ω每加大一個(gè)步長(zhǎng)，只要這個(gè)步長(zhǎng)恰當(dāng)
判斷φn+2減φn+1的值，如→0，則V(n+1)和V(n+2)的相位沒(méi)有發(fā)生跳變，V(n+1)的值雖然很小，但是是虛假的，應(yīng)剔除。如很大，則V(n)、V(n+1)和V(n+2)的相位發(fā)生了跳變，V(n+1)才是真正的最小值。此時(shí)刻V(n+1)的ω就是我們要鎖定的。參見(jiàn)圖4.
3.4小結(jié)
一旦單片機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)到V(n)V(n+1)且V(n+2)V(n+1)；同時(shí)它們對(duì)應(yīng)的相位不滿足：φn≈φn+1≈φn+2，則鎖定此時(shí)刻V(n+1)的ω，并存儲(chǔ)起來(lái)，通過(guò)查表顯示相應(yīng)的溫度。
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