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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Genaue Phasenmessung


Autor: Bastler0815 (Gast)
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Guten Morgen,

momentan stehe ich vor dem Problem, die Phasenverschiebung zwischen
zwei Sinussignalen mit einer Genauigkeit von 0,001° messen zu müssen.
Die Frequenz der beiden Signale ist gleich und kann zwischen 5 und 30
kHz liegen. Eines der Signale besitzt eine feste Amplitude, die
Amplitude des zweiten variiert stark. Die gemessene Phasenverschiebung
will ich in einem Mikrocontroller weiterverarbeiten.
Bislang habe ich folgende Messmethoden gefunden, jedoch keine Aussagen
über die damit erzielbare Genauigkeit:

1. Mit einem Analogmultiplizierer
Problem: Ich muss die Amplituden konstant regeln.

2. Mit Komparatoren jeweils den Nulldurchgang detektieren und die
Signale dann in ein XOR - Gatter geben. Dann entweder analog oder über
Torzeit (schneller Zähler) auswerten.

3. Mit Komparatoren jeweils den Nulldurchgang detektieren. Anschließend
auf positiv Flankengetriggerte FFs geben und dann UND verknüpfen. Dann
entweder analog oder über Torzeit (schneller Zähler) auswerten.

4. Wie 3, nur dass dabei eines der Signale invertiert wird.


Nun meine Fragen:
Hat jemand schon Erfahrungen mit diesen Messmethoden (oder anderen)
gemacht und kann mir sagen, mit welcher ich die besten Ergebnisse
erzielen kann?
Wie arbeiten eigentlich käufliche Phasenmessgeräte?

Autor: Michael (Gast)
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Punkt 1 kannst Du getrost vergessen.
Alle anderen Punkte bieten einen Ansatz, das Hauptproblem dürfte jedoch
die Erkennung der Nulldurchgänge sein. Bei 30Khz und der geforderten
Genauigkeit bin ich mir nicht sicher, ob da nicht sehr sehr hoher
Aufwand getrieben werden muß. Ohne jetzt nachgerechnet zu haben, kommst
Du mit der Auflösung der Zeit wohl in den Picosekunden Bereich.
Vielleicht sind die Anforderungen auch nur aus dem Bauch heraus
formuliert und völlig überzogen ?

Autor: Bastler0815 (Gast)
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Hallo Michael,
danke für deine schnelle Antwort.
Leider sind die Anforderungen nicht überzogen. Vorversuche mit einem
fertigen Phasenmesser haben gezeigt, dass ich diese Genauigkeit
benötige.
Der eingsetzte Phasenmesser erreicht diese Genauigkeit erst bei einer
Messung über ca. 1000 Perioden. Lässt dies Rückschlüsse auf die
verwendete Messmethode zu?

Autor: Rahul (Gast)
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Das gleiche / ein ähnliches Problem wurde hier im Forum schon mal
erörtert.

Autor: Bastler0815 (Gast)
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@Rahul:
Meinst du diesen Thread?
http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-312348.html#new

Da kam nur heraus, einen schnellen Zähler zu benutzen (z.B. 74HC4020),
der von Schaltungen wie 2, 3 oder 4 gesteuert wird.

Allerdings wird dort vorgeschlagen, die Rechtecksignale durch
Übersteuerung zu erzeugen, was wahrscheinlich bessere Resultate gibt
als ein Komparator (wg. Hysterese).

Doch kommt man auf diese Art auf die von mir benötigte Genauigkeit?

Autor: PerterL (Gast)
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wenn ich mich nicht verrechnet habe, entsprechen 0,001° bei 30khz
10,8 GHz !!
genau das richtige für einen Bastler ;-)

Autor: Bastler0815 (Gast)
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@PerterL:
Auf diese Größenorgnung bin ich auch gekommen, d.h. diese
Auswertemethode kann ich vergessen.

Aber um nochmals auf die käuflichen Geräte zurückzukommen: Wie wird
dort die Phasenmessung realisiert?

Autor: Manfred (Gast)
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Hallo,

wie wäre folgender Ansatz:

Du tastest die signale mit einer nicht ganzzahlig vielfachen Frequenz
deines Signales ab.
Du multiplizierst die Abtastwerte u(t) der beiden Signale und addierst
diese auf und bekommst die Wirkleistung. Außerdem multiplizierst du die
Beträge der Signale und hast die Scheinleistung.
Aus Scheinleistung und Wirkleistung kannst du die Phasenverschiebung
berechnen.
Das ich die Signale als Spannung und Strom interpretiere, spielt hier
keine Rolle, es geht um das Prinzip und das wird so bei der
Leistungsmessung verwendet.
Voraussetzung ist, daß die Signale über mehrere Perioden konstant sind
und keinen Jitter aufweisen.
Durch die Abtastung mit einer nicht ganzzahligen vielfachen kleineren
Frequenz bekommst du nach mehreren Perioden dein Signal. Wird so
gemacht um hochfrequente periodische Signale zu messen.

Gruß

Manfred

Autor: Detlef _a (detlef_a)
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Meßgeräte für den Tangens-Delta eines Kondensators müssen
Phasendifferenzen sehr genau messen. Das läuft über die Abtastung der
Signale und ne FFT. Je länger Du dann mißt, umso genauer wird das,
braucht aber viel Speicher und einigermaßen Rechenleistung für die FFT,
mit nem uC wird das schwierig. Mit dem Verfahren kann man Winkel in der
Größenordnung von 10e-6rad messen (oder so in der Größenordnung). Aber
ich glaube auch, daß Du Deinen Winkel nicht wirklich so genau
brauchst.

Cheers
Detlef

Autor: Michael (Gast)
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Wenn Du 1000 Intervalle messen kannst (oder noch mehr), kannst Du
natürlich Deine Auflösung erheblich verbessern. Die Signale müssen in
dieser Zeit aber konstant bleiben (Phase + Amplitude).

Aber Auflösung ist nicht Genauigkeit ! Dein Meßergebnis kann im Bereich
von +-180.000° liegen, welches sehr schnell durch Rauschen verdorben
werden kann.

Sofern die Signale digital vorliegen könnte man das Bezugssignal zum
Start einer Messung verwenden - sagen wir ruhig 5000 Perioden - und
damit die Periodendauer bestimmen. Meßzeit ca. 1 Sek. bei 5hKz.
Eine zweite Meßeinheit wird ebenfalls mit dem Bezugssignal gestartet,
aber mit dem Meßsignal beendet. Die Differenz
(Meßzeit2-Meßzeit1)/Periodenanzahl ergibt dann den Zeitversatz einer
Periode, der auf Pi oder Winkel oder wie auch immer umgerechnet werden
kann.

Autor: Michael (Gast)
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Zur praktischen Ausführung könnte man bei diesem konstantem
Eingangsfrequenzbereich generell beide Signale durch z.B. 4096 teilen
und die Messungen dann im Hz-Bereich ausführen. Das erleichtert die
Schaltung (nur des Digitalteils!).

Autor: mhhhh (Gast)
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Also ich denke, das Hauptproblem wird erstens die
Nulldurchgangserkennung sein (mehrstufige Verstärker mit Begrenzer wg.
Sättigung), und dann die Verarbeitung sein.

Ein schneller Zähler, der mit 30 MHz läuft ist auf einem CPLD sicher
kein Problem, das krieg ich noch mit'm 9536 hin.

Du mußt aber 19 bit verarbeiten bei dieser Auflösung. Wieviel Zeit hat
man dafür?

Wöfür ist das denn, erzähl mal.

ts

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Angenommen, die Frequenen weichen pro Sekunde um 0,001 Grad voneinander
ab, dann würde eine 36 kHz-Schwingung nach je 10 Sekunden um eine
Periode gegenüber der anderen wegdriften. Die Umrechnung in GHz halte
ich für weniger sinnvoll. Solche Phasenverschiebungen kann man auf
einem Zweikanal-Oszilloskop gut beobachten. Man findet sie zum Beispiel
beim Vergleich zweier Atomfrequenznormale. Ich habe schon Messkurven
gesehen, wo ein terrestrisches Normal mit einem Satellitennormal
verglichen wurde. Die Schwankung war sinusförmig, da der Satellit um
eine Ruhelage kreist, also mal näher und mal weiter weg vom Empfänger
steht. Sogar auf DCF77 kann man die Verschiebung einer Antenne im
Meterbereich sehen, obwohl die Wellenlänge im Kilometerbereich liegt.

Autor: PerterL (Gast)
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@Christoph Kessler

das Problem ist aber, dass beide Frequenzen gleich sind, also nix mit
wegdriften, sonst würds ja jeder Frequenzzähler tun.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Zur Steigerung der Meßgenauigkeit verwendet man oft Tricks nach Art der
Noniusskala auf dem Meßschieber. Zur höheren Auflösung von PLL-Teilern
wird mit dem Pulse-Swallow-Verfahren mit umschaltbaren Teilern :n /
:n+1 gearbeitet. Man würde vilelleicht eine Frequenz durch 1000 und die
andere durch 1001 teilen.

Autor: peter dannegger (Gast)
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Ich halte es für völlig illusorisch, eine Phasenverschiebung von 92ps
mit bezahlbarem Aufwand messen zu können.

Für 92ps ist die Kurve eines 30kHz Sinus quasi Gleichstrom, wie soll
man da einen Nulldurchgang erkennen können ???

Noch dazu, wenn sich die eine Amplitude ständig ändert.


Tja, wenn es eine Frequenzverschiebung wäre, dann akkumuliert die sich
ja mit längerer Meßzeit, die könnte man leicht messen.


Peter

Autor: Matthias (Gast)
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Zur Methode 2 und 3: Deine Zähler müssten mit einer Taktfrequenz von
10,8Ghz laufen, da die 0.001° Phasenverschiebung ja nur 1/360000 einer
Periode ist und diese selbst ja nur 1/30kHz lang ist.

Autor: alfsch (Gast)
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*Bastler0815 dein vorschlag nr3 geht ok , denke ich.
aber den out des phasen-komparators musste lowpass filtern.
rechnen wir mal andersrum: wir wollen 0,1ns auflösung, bei zb 10khz:
bei rund 10vss signal gibts rund 10uv spg-änderung am komp-input...
das geht, aber mit rauschen drin, deswegen lowpass !
mit einigen mv störungen in der schaltung kannst dus aber wohl
vergessen, also bzgl masse+schirmung recht anspruchsvoll....

wozu soll das denn sein???

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Hier ist die Schaltung des Frequenznormals mit Phasennachregelung auf
den 1 Sekunden - Impuls eines GPS-Empfängers, mit einer Messgenauigkeit
von 10 nsec, mit vielen Messungen, unter anderem die genannten
Schwankungen der Phase eines TV-Satelliten durch Bewegung um seinen
Soll-Standort:
http://www.qsl.net/dk7nt/cro/croindex.htm

Autor: peter dannegger (Gast)
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@Christoph,

ja, bei 10ns laß ich mit mir reden, aber hier werden ja 92ps (0,092ns)
gefordert, also das 108-fache an Genauigkeit !


Peter

Autor: Unbekannter (Gast)
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@peter dannegger:

Also, prinzipiell lässt sich so etwas ohne Probleme messen, sind
schließlich nur rund 110 dB Auflösung.

Der Trick ist eben die Messmethode. Der Originalposter schreibt ja
selbst, er hat ein Messgerät dass dazu 1000 Perioden benötigt.

Wo Du natürlich vollkommen zu 100% recht hast, ist dass diese Auflösung
in nur einer Periode zu messen extrem schwer wird.

Autor: Erwin Loehnert (Gast)
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Hallo Christoph,

ich würde gerne Deine Aussage im Forum "Sogar auf DCF77 kann man die 
Verschiebung einer Antenne im Meterbereich sehen, obwohl die Wellenlänge 
im Kilometerbereich liegt." praktisch umsetzen.

D.h. man nehme einen geeigneten DCF77 Empfänger, der auch die Phasenlage
des empfangenen DCF77-Signals ausgibt (Kannst Du da einen empfehlen?)
bewege dann die DCF77 Enpfangsantenne von A nach B in Richtung des 
DCF77-Senders, messe die Phasendifferenz dPhase in Grad und berechne die 
Entfernung AB nach:
AB = (dPhase/360 Grad)*3868m

Wenn man also die Phasendifferenz auf 1/10 Grad messen könnte, so
würde man Unterschiede von ca. 1m detektieren können (im Idealfall, ohne
Störungen). Geht das ?

Gibts es Empfänger, die nicht nur DCF77 können, sondern Langwelle 
überhaupt,
so dass man das ganze auch für andere Sender (DLF etc.) mal ausprobieren 
könnte ?

Vielen Dank für Deine Antwort.

Gruss

Erwin Löhnert

Autor: Hagen (Gast)
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Mit PSD und Integration geht das. PSD sind Phase sensitive Device, 
andere Namen Lockin Amplifier oder getaktete Synchrone Gleichrichter.

Aus deinem Referenzsinus machst du ein Rechteck mit 90 Grad 
Phasenverschiebung der ein synchronen Invertierer (OPAmp) = getakteten 
Gleichrichter ansteuert. Dahinter ein Integrator. Der entstehende Wert 
ist ein DC der die Phasenverschiebung darstellt. Die unterschiedliche 
Amplitude im Meßvorgang gleicht sich durch die getakte Gleichrichtung 
wieder aus. Ebenso eventuelle überlagerte Störungen.

Da du eine Integration machst muß dein Singnal auch eine gewisse 
Zeitspanne lang konstant sein, logisch.

Gruß Hagen

Autor: Bastler0815 (Gast)
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Hallo mal wieder,
leider hat sich mittlerweile die Phasenmessung erledigt. Sie war für ein 
spezielles Messgerät gedacht. Leider hat sich herausgestellt, dass die 
zugekauften Sensorelemente Mist sind (bzw. Mist machen).
Allerdings kapiere ich folgende Aussage von Hagen nicht:
"Die unterschiedliche
Amplitude im Meßvorgang gleicht sich durch die getakte Gleichrichtung 
wieder aus"
Stimmt das in jedem Fall oder nur, wenn ich den Referenztakt auf eine 
bestimmte Grundphasenverschiebung einstelle?

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Hallo Erwin,

Der Thread war ja fast schon ein Jahr her. Ja wir hatten mal (80er 
Jahre) ein Cäsium-Frequenznormal in der Firma, das innerhalb mehrerer 
Tage mit DCF77 synchronisiert wurde - ich meine von Firma Unverdross. Da 
konnte man die Antennenverschiebung sehen, ich weiß nicht mehr genau 
wie, vermutlich an einem eingebauten Phasenanzeigeinstrument.
Das einfachste wäre wohl, wie bei differential GPS, zwei Empfänger zu 
verwenden, einer fest als Referenz, der andere wird bewegt. Ich meine in 
der CQ-DL stand mal ein Artikel zur geophysikalischen Bodenuntersuchung 
mit weit entfernten Langewellensendern. Ob jetzt DF77 oder ein 
U-Boot-Sender im unteren kHz-Bereich, egal, das muß auch so ähnlich 
funktionieren. Die Archäologen machen ähnliches zur ersten Prospektion 
eines Grabungsfeldes mit Magnetfeldmessungen. Da wird mit einem 
Holzschubkarren (um Magnetfelder zu vermeiden) das Feld zeilenweise 
abgescannt.
73
Christoph

Autor: Hagen Re (hagen)
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Bei Grundphasenverschiebung = 90Grad ist der DC Wert nach Integration 
exakt 0 ;) Beide Signale (Referenz und Eingang) sind dann synchron.

Male es dir auf, Sinus und 90 Grad versetzt invertierst du immer das 
Signal, der entstehende DC nach Intergration wird 0 sein.

Gruß hagen

Autor: detlef a (Gast)
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Um die Phase von DCF77 korrekt zu messen, muß man m.E. ne 
Vergleichsfrequenz von annähernd der gleichen Genauigkeit haben, also so 
10E-8, das könne OCXO. Der Rest ist nen Phasenvergleicher, so schwierig 
sollte das nicht sein.

Cheers
Detlef

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