[论文解读] Phase meter based on zero-crossing counting of digitized signals

Wataru Kokuyama, Hideaki Nozato+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Advanced Electrical Measurement Techniques参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出了一种紧凑、低噪声的相位计，通过数字化信号的过零计数实现高精度差分相位测量。其对正弦波和方波的测量误差小于1×10⁻⁴ rad，并可对自由运行激光的光拍信号实现10个十进制量级（0.25 mHz–10 MHz）的直接相位测量，动态范围达280 dB。

ABSTRACT

We developed a compact and easy-to-use phase meter based on a zero-crossing counting algorithm for digitized signals. Owing to the algorithm, the phase meter has low-noise and wide dynamic range. Low-noise differential phase measurements can be done for square waves (-204 $\mathrm{dBrad^{2}/Hz}$ for a 1-kHz, 1-$\mathrm{V_{p-p}}$ signal, 10 Hz-1 kHz offset, with cross-correlation) as well as sinusoidal waves, with a measurement error of $<1 imes 10^{-4}$ rad. We also demonstrated a direct phase measurement of an optical-beat note from a free-running laser over 10 decades (0.25 mHz-10 MHz) with a wide dynamic range of ~280 dB at 0.25 mHz. The phase meter can be an alternative for conventional phase meters and frequency counters in wide range of experiments.

研究动机与目标

• 开发一种适用于多种实验应用的低噪声、宽动态范围相位计。
• 实现对正弦波和方波信号的高精度差分相位测量。
• 将相位测量能力扩展至极低频（最低达0.25 mHz）和高频（最高达10 MHz）。
• 为精密仪器提供传统相位计和频率计的实用替代方案。

提出的方法

• 相位计采用对数字化输入信号进行过零计数的算法以提取相位信息。
• 通过互相关技术降低噪声，在1-kHz、1-Vpp方波信号下实现-204 dB·rad²/Hz的相位噪声底限。
• 系统对输入信号进行数字化，并通过计数过零点来高时间分辨率估计相位差。
• 无需反馈或跟踪机制，从而实现结构简单和宽频带运行。
• 该方法同时适用于电子信号和自由运行激光的光拍信号。
• 通过利用过零点时间对幅度变化的对数敏感性，扩展了动态范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 对数字化信号进行过零计数是否可在宽动态范围内实现亚弧度级相位测量精度？
• RQ2 该系统在方波和正弦波波形下的相位噪声性能如何？
• RQ3 该相位计能否测量跨越10个十进制量级频率（从0.25 mHz到10 MHz）的信号？
• RQ4 该系统在对自由运行激光的光拍信号进行直接相位测量时表现如何？
• RQ5 该方法能否作为传统相位计和频率计的实用替代方案？

主要发现

• 在10 Hz–1 kHz偏置范围内，对于1-kHz、1-Vpp方波信号，相位计的相位噪声底限为-204 dB·rad²/Hz。
• 对正弦波和方波输入信号，差分相位测量的误差均小于1×10⁻⁴ rad。
• 系统成功实现了对自由运行激光光拍信号的相位测量，覆盖10个十进制量级的频率范围（0.25 mHz至10 MHz）。
• 在0.25 mHz偏置频率下，相位计的动态范围可达约280 dB。
• 该方法可实现无需参考振荡器或复杂反馈回路的直接相位测量。
• 系统表现出良好的鲁棒性和简洁性，适用于集成到多种实验装置中。