基于过零点检测方法的改进研究

　　陈诚，戴尔晗，马亚男

　　（南京邮电大学 自动化学院，江苏 南京 210023）

       摘要：通过与传统的过零点检测方法作对比，设计出一种基于预测相位的二次平均法测量信号周期（简称预测相位积分法）的方法，通过其核心部件密勒积分器、比较器和计数器，对于每个周期信号尽可能准确地在相同相位点上开始进行积分，在标准时间内累计待测信号的脉冲个数，实现了频率测量。该方法有较好干扰能力，结构简单，测量精度高，成本低廉，具有较好的工程应用价值。

　　关键词：过零检测；频率测量；相位积分

　　中图分类号：TP353文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.20.022

　　引用格式：陈诚，戴尔晗，马亚男. 基于过零点检测方法的改进研究［J］.微型机与应用，2016,35（20）：79 81.

0引言

　　现代电子测量技术［1］主要实现了提高测量速度和降低测量噪声。随着微电子技术的进步，测量速度已经有了明显进步。但是由于噪声的缘故，测量的准确度没有得到相应的提高，特别是在时间频率测量领域。

　　在过去的几十年里，时间测量技术得到了快速的发展。计数式频率和时间测量原理中，通过其核心部件比较器和计时器，在已知的标准时间内累计未知的待测信号的脉冲个数，就实现了频率测量；在未知的待测时间间隔内累计已知的标准时间脉冲个数，就实现了周期或时间间隔的测量［2-3］。尽管市场上可以买到的频率计的标准时间脉冲间隔可以达到20 pm，在实验室，采用远紫外光技术实现的标准时间脉冲间隔可以达到as（1 as=10-18 s)级，但是对于信号的时间间隔或周期测量的误差仍然很大，这是由于将被测信号经过整形后作为闸门信号引起的。

1过零检测技术

　　过零检测是测量周期信号的频率和周期的最常用的方法［4-5］。过零点是为了测量相位和频率而选择的点。当测量信号的频率时，通常测量参考信号的多个周期数的一个或多个时间段。测量多个时间段有利于减少相位噪声引起的误差。相位噪声使得过零检测点在总的测量时间内有小的扰动，最终结果是以缓慢的测量速率为代价获得准确的结果。

　　过零检测的作用可以理解为在交流系统中给主芯片提供一个标准，这个标准的起点是零电压，可控硅导通角的大小就是依据这个标准。也就是说塑封电机高、中、低、微转速都对应一个导通角，而每个导通角的导通时间是从零电压开始计算的，导通时间不一样，导通角度的大小就不一样，因此电机的转速就不一样［6］。电路示意图如图1所示。

　　D5、D6电压取自变压器次级A、B两点，经过D5、D6全波整流，形成脉动直流波形，电阻分压后，再经过电容滤波，滤去高频成分，形成C点电压波形；当C点电压大于0.7 V时，三极管Q2导通，在三极管集电极形成低电平；当C点电压低于0.7 V时，三极管截止，三极管集电极通过上拉电阻R4，形成高电平。这样通过三极管的反复导通、截止，在芯片过零检测输出端口形成100 Hz脉冲波形，芯片通过判断，检测电压的零点。

　　当输入频率的变化反映在输出时需要大量的加工方法来进行时间的很大延迟，通用的触发误差可以表示为：

　　触发误差=

　　其中X是计数器输入通道带来的噪声（在某些计数器中小于数百微伏，在某些计数器中则可达数百毫伏），en表示在计数器带宽内待测信号源带来的噪声有效值，ΔV/ΔT是信号在触发点的斜率。

　　而所有的教科书和电子计数器对于单次周期测量误差都描述为：

　　±计数误差±触发误差±标准频率误差

　　理想情况下，如果被测信号存在一个斜率无穷大的触发点位置，则被测信号的周期测量会非常准确；但实际情况下，大多数信号并不存在这样的触发点，反而由于公式（1）是假定被测信号在实际的触发点和理想的触发点之间是一根直线的情况下推导出来的，导致触发误差可能会更大［7］。

2改进的过零检测研究

　　平均法用于测量领域由来已久，目前最准确的基本电参量测量方法是采用积分法实现的直流电压测量，多周期平均测量技术也用于降低周期测量的误差［8-9］。无论是测量周期、频率或相位,错误的来源都是一样的。当测量一个信号用于同步，快速和准确的测量是必需的。这也意味着通过频率滤波和测量延迟可引入低频相位失真。本文设计的目的是减少由于多次过零点（两个以上的各时间段）引起的频率误差，并通过提前或延迟过零减少相位误差［10-12］。

　　本系统的结构图如图2，主要包括密勒积分器、过零比较器、计数器及逻辑控制、晶体振荡器电路、显示电路等。

　　测量过程是初始化积分器，使积分输出电压回到零，根据计算得到的积分开始时间进行模拟积分，记录积分开始时间，在积分器输出电压再次回到零时停止积分，记录积分结束时间，由积分开始时间和积分结束时间计算电信号的零点，由一系列电信号的零点计算电信号的频率。具体步骤如下：

　　（1）获取至少两个周波过负（或者正）峰值后的过零点时间序列TZ1,TZ2,TZ3…；

　　（2）确定用于计算第i个过零点时间的起始积分点时间 TSi，其计算公式为TSi=TZ(i-1)+T×C，其中T是根据过零点TZ(i-1),TZ(i-2),TZ(i-3)，…计算得出的平均周期，C∈(0.5,1)；

　　（3）在起始积分点时间TSi前，逻辑控制电路给出控制信号使积分器接通内置开关，电容短接，输出电压回到零；

　　（4）在起始积分点时间TSi，逻辑控制电路给出控制信号使积分器断开内置开关S2，开始一次积分过程；

　　（5）当积分器输出电压再次回到零时，记录积分结束时间TEi ；

　　（6）计算第i个过零点时间，在积分开始时间TSi和积分结束时间TEi之间存在一个过零点，该过零点时间表示为： 

　　（7）重复步骤（2）~（6），依次得到被测电信号的若干个过零点时间TZ1,TZ2,TZ3，…，TZi,TZ(i+1),TZ(i+2)，…，TZn ，其中，i=1，2，…，n，n为正整数；被测电信号的周期为：Tpi=TZ(i+1)-TZ(i)，被测电信号的频率为

　　起始积分时间等同于信号的相位，该方法的核心思想是在一个尽可能准确的相位上开始进行积分。

　　具体的积分过程可以参见图3和图4。图3是采用传统的过零点比较法获取了两个过零点后，采用本文所述方法获取第3个过零点的示意图。图4是获得第7个和第8个过零点的示意图。

　　本文的方法中使用了两次平均的方法。第一次是对被测信号的平均(积分)。对被测信号的积分可以将起始积分时间和结束积分时间之间均值为零的噪声滤除；起始积分时间和结束积分时间之间均值不为零的噪声对本系统而言相当于在原始信号中叠加的直流电平，不影响周期测量的准确度。第二次是对起始积分时间和结束积分时间取平均。由于预测的积分时间Tsi（相位）和理想的积分时间之间可能存在一些偏差，导致可能会在理想的积分时间之前或者之后开始积分，但是对于任何一个从负电平到正电平或者从正电平到负电平的信号进行积分，在输出为零的时候停止积分，其过程可以参见图3、图4。可以看出过早的开始积分时间会导致积分时间延长，过晚的开始积分时间会导致积分时间缩短，因此采用了针对起始积分时间和结束积分时间取平均的方法来获取过零点从而降低过早积分或过晚积分产生的误差。其中第一次平均消除了噪声峰值的影响，使得周期测量的误差和噪声均值相关；第二次平均消除了部分过早或过晚积分引起的误差，这里称之为预测误差。预测误差总会存在，但选择适当的开始积分时间可以降低预测误差。

　　为了衡量系统的优劣，针对以上问题通过实验来进行验证，模拟噪声环境，采用了采样频率为50 MHz的采样数据来描述被测模拟信号。信号基波频率为50 Hz，幅值为100 V；添加2、3、5、7次谐波，其幅值分别为31 V、10 V、32 V、25 V和10 V，谐波的相位随机生成；添加幅值为10 V的随机噪声。

　　由于在在实际系统中获取每个周期信号的理想的相同相位点并开始积分实现难度较大，而在此仿真系统中，可以在一个数字模拟环境下直接获取基波的相位，然而起始积分点和结束积分点的电平的绝对值的差值较大会引起测量结果不准确的，因此接下来的工作就需要大量的数据去验证这样的方法，保守估计在采用优化数据时，推测相位积分法获取的周期数据的准确度比传统电子计数器的准确度高50~100倍。

3结论

　　相位积分法可以获得传统电子计数器高倍度精度，可以大大提高周期测量的准确度。更大或者更小的噪声对系统测量精度影响的数据这里不一一列出，噪声均值大小会影响固定相位积分法的测量结果，无论噪声大小如何，优化后的相位积分法获得的测量结果精度非常接近固定相位积分法的测量精度，如图5所示。

　　采用此种方法的测量结果大致和噪声的均值成正比，积分法的直流电压测量精度仍然受到均值不为零的噪声影响，而均值不为零的噪声对本系统而言相当于在原始信号上叠加的直流电平。由于均值不为零的噪声在某一段时间内的均值与其数学期望也会不相等，因此均值不为零的噪声也会影响测量结果。到目前为止，已知的均值不为零的噪声主要分布在非常低的频段，其影响几乎可以忽略不计。相比较于直流电压测量，本文所述的方法对均值不为零的噪声仍然有一定的抑制能力，但希望下一步的研究能使其有更进一步的提高。

　　参考文献

　　［1］ 张永瑞.电子测量技术基础［M］.西安：西安电子科技大学出版社,2014.

　　［2］ 江玉洁,陈辰,周渭.新型频率测量方法的研究［J］.仪器仪表学报,2004,25(1):30-33.

　　［3］ 马献果,焦阳.频率测量方法的改进［J］.仪器仪表学报,2004,25(S1):120-121.

　　［4］ 高小花,冯西安.低噪声多级放大信号调理的滤波技术研究［J］.微型机与应用,2014，33(3):76-78,81.

　　［5］ 朱士明,刘镇清,魏墨盦,等.提高测量声时精度的“过零检测数字平均法”［J］.声学技术, 1990(3):36-40.

　　［6］ 刘静章,王进旗,王凤波.过零检测技术在相位测量中应用［J］.电子测量技术,2004(5):67-68.

　　［7］ 刘俊俊,廖小松,袁嫣红.提高过零检测精度的方法研究［J］.工业控制计算机,2009,22(10):80-81.

　　［8］ 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.

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

　　［10］ 戴尔晗.一种交流电的相位差的数字化测量方法［P］.中国:CN102928666A,2013-02-13.

　　［11］ 戴尔晗.一种电信号频率的数字化测量方法［P］.中国:CN104808055A,2015-07-29.

　　［12］ 漆淼,郭建强.基于互相关函数的微弱信号检测仪的研究［J］.微型机与应用,2013,32(9):14-17.