第六章相位差测量(修改版)

1、第 六 章 相 位 差 测 量 6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 用示波器测量相位差用示波器测量相位差 6.3 6.3 相位差转换为时间间隔进行测量相位差转换为时间间隔进行测量 6.4 6.4 相位差转换为电压进行测量相位差转换为电压进行测量 6.5 6.5 零示法测量相位差零示法测量相位差 6.6 6.6 测量范围的扩展测量范围的扩展 小结小结 习题习题 6.1概述 振幅、频率和相位是描述正弦交流电的三个“要素”。 以电压为例，其函数关系为： 式中 为电压振幅； 为角频率； 为初相位。 由此可以得出相位差定义： 它们的瞬时相位差 sin 0 tUu m m U 0 2121 2211

2、 2222 1111 sin sin t tt tUu tUu m m 相位差测量是测量网络相频特性中必不可少的部分。用什 么方法进行相位差测量呢？ 所谓相频特性即输入、输出信号间相位差随频率的变化关 系，这往往是由于经过某网络器件而形成的，因此又称为 该网络器件的相频特性。 测量相位差的方法很多，主要有：用示波器测量；把相位 差转换为时间间隔，先测量出时间间隔再换算为相位差;把 相位差转换为电压，先测量出电压再换算为相位差；与标 准移向器的比较（零示法）等。 为常数时，当 2121 6.2用示波器测量相位差 一、直接比较法一、直接比较法 设电压 将 、 分别接入双踪示波器的两个通道，适当调节

3、扫 描旋钮和Y增益旋钮，使荧光屏上显示出下图所示上下 堆成波形。 tUtu tUtu m m sin)( sin)( 22 11 1 u 2 u 1.1 1.1 sinx() sinx0.5() 70 x A T T B C D 相位差测量原理图相位差测量原理图 在示波器上用直接比较法测量两同频正弦量的相位差，其 误差主要来源于：示波器水平扫描的非线性，即扫描用 的锯齿电压呈非线性。 双踪示波器两垂直通道一致性 差而引入了附加的相位差。人眼读数误差。 由上图得出相位差计算公式由上图得出相位差计算公式 AC AB T T tt tt oo AC ABo 360360360 二、椭圆法二、椭圆法

4、椭圆法定义： 若频率相同的两个正弦量信号分别接入示波器的X通道 和Y通达，一般情况下示波器荧光屏上显示的李沙育图 形为椭圆，而椭圆的形状和两个信号的相位差有关，基 于此点用来测量相位差的方法称为椭圆法。 一般情况下u1加于Y通道，u2加于X通道。则光点沿垂 直和水平的瞬时位移量y和x分别为 （6.2-4） 2 1 uKx uKy X Y 式中ky、kx为比例常数。设u1、u2分别为 （6.2-5 ） 将（6.2-5 ）代入（6.2-4） ) sin( ) sin( 22 11 tUu tUu m m tsinXtsinUKx sintcosYcostsinY )tsin(Y)tsin(UKy

5、mmX mm mmY 2 1 0 0 0 0 y m x m X x arcsin Y y arcsin 可以得出 上式是一个光影的椭圆方 程，其托椭圆图形如右 可以算出相位差： sincos 2 2 xXx X Y y m m m 当相位差接近(2n-1)900时，X0 靠近Xm ,Y0 靠近 Ym ，难以读准，再加上此时X0 、Y0 对相位差很不敏感， 测量误差将增大，实际中采用读长、短轴的方法计算 相位差： 实际当中，还需要考虑：系统的固有相位差（如何产生的？）。 A B arctg2 B为椭圆的短轴为椭圆的短轴 A为椭圆的长轴为椭圆的长轴 Y X 移 相 器 U1U1 U2 右倾时右倾

6、时 900 6.3将相位差转换为时间间隔进行测量 一、模拟式直读相位计 下图是模拟式直读相位计的原理框图，两路同频正弦波u1、 u2经各自的脉冲形成电路得到两组窄脉冲uc、ud。窄脉冲 出现于正弦波电压从负到正过零的瞬时（也可以是从正到 负过零的瞬时）。 脉冲 形成 脉冲 形成 U1(t) U2(t) A 双稳 态触 发器 将uc、ud接到双稳态触发器的两个触发端，uc使它翻为 面管导通（i=Im）、下面管截止（e点电位为+E）的状态ud 使它翻转成为下面管导通（e点电位近似为零）、下面管截 止。这样的过程反复进行。双稳态电路下面管输出电压为ue 上面管流过的电流i都是矩形脉冲，脉冲宽度为T，

7、重复周 期为T，因此他们的平均正比于相位差 以电流为例，期平均 电流为 （6.3-1） （6.3-2） m o m I I I T T I 0 0 360 由于管子导通电流Im 是固定的，所以相位差与平均电流I0成 正比。若用一电流表串连接入双稳态上面管子集电极回路， 测出其平均值I0代入（6.3-2）即可得相位差。 模拟式直读相位计电路简单，操作方便，这是它的优点。但 它是测量长时间内相位差的平均值，不能测出“瞬时”相位 差，且由于电流本身误差及读数误差都较大，所以这种相位 差计测量误差也比较大，约为（13）%。这些又都是模 拟直读相位计的缺点。 AC AB T T tt tt oo AC

8、ABo 360360360 1.1 1.1 sinx() sinx0.5() 70 x A T T B C D Im Io T 模拟式直读相位计各点波形图模拟式直读相位计各点波形图 1.1 1.1 sinx() sinx0.5() 70 x A T T B C D Im Io T 二、数字式相位差计二、数字式相位差计 数字式相位差计又称为 电子计数式相位差计， 这种方法就是应用电子 计数器来测量周期T和 两同频正弦波过零点时 间差T。如右图所示 上图中u1、u2为两个同频单具有一定相位差的正弦信号； uc、ud分别为u1u2经各自的脉冲形成电路输出的尖脉冲 信号，两路尖脉冲信号都出现于正弦波电

9、压从负到正过零 点的瞬时；ue为uc尖脉冲信号经触发电路形成宽度等于待 测两信号周期T的闸门信号，用它来控制时间闸门；uf为 标准频率脉冲（晶振输出经整形形成的窄脉冲，频率为fc） 在闸门时间控制信号ue控制下通过闸门加于计数器计数脉 冲，设计数值为N；ug为用uc、ud去触发一个双稳态多谐 振振荡器形成的反映u1u2过零点时间差宽度T的另一闸 门信号；设计数值为n。由图6.3-2可知： 为了操作简便一般取 得出 N n T T T n T N fc b bo o oo bo bo c bo c n n N n T T Tf TfN ff 10 10360 360 360360 10360 1

10、0360 10360 l数字式相位计数字式相位计（又称（又称“瞬时瞬时”相位计）相位计）,其无法用于高频信号相位差测量。为什么？其无法用于高频信号相位差测量。为什么？ 实际电路： 脉冲形 成 脉冲形 成 U1(t) U2(t) 双稳态 触发器 时间 闸门 计数 显示 控制 电路 标频 脉冲 n 计数式相位差计测量误差的来源与计数器测周期或测时间 间隔时相同，也是主要有标准频率误差 fc/fc、触发误 差Um/ Um和量化误差1/n。为减少测量误差，应 提高fc精确度、被测信号信噪比和增大计数器读书n。要 增大n，必须提高fc。 应当注意到：当被测信号频率改变时必须相应改变晶振标 准频率使只满足

11、 这种相位差计的缺点是：被测信号频率改变时满足上式， 需跟踪调整fc，同时测量频率低。 2 ff bo c 10360 平均值相位计的工作原理 脉冲 形成 脉冲 形成 U1(t) U2(t) 双稳 态触 发器 时间 闸门1 计数 显示 控制 电路 标频 脉冲 C 闸门 脉冲 时间 闸门2 B E D A T TmKT nn 设定为设定为A 组组 C B D E A T a/fTA KnA, T T Tfn,T/TK o cm o cm 360 360 这种方法测量的相位差实际这种方法测量的相位差实际 上是被测信号上是被测信号K个周期内的个周期内的 平均相位差！有两大优点。平均相位差！有两大优点

12、。 6.4将相位差转换为将相位差转换为电压电压进行测量进行测量 基本原理即利用非线性器件把相位转换为电压或电流的增 量，然后用电表指示被测相位差。 一、差接式相位检波电路 U0 电容放电电容放电 差接式相位差接式相位 检波电路检波电路 cos)( )( 22 112 m RcF Utu UUtuu )sin( sin 22 11 tUu tUu m m 关键是求出关键是求出Uc1（即（即UAEm)；R3，C3组成低通滤波器，即得组成低通滤波器，即得U0=U2mcos() 设输入信号： 且U1mU2m1V，使两个二极管工作在线性检波状态。 还假设时间常数R1C1、R2C2、R3C3都远远大于被测

13、信号 周期。 二、平衡式相位检波电路（利用二极管的伏安特性） 214 213 212 211 uuu uuu uuu uuu D D D D 0 C 211 uuu D 对对交交流流短短路路滤滤波波电电容容 cosKI iiiii 0 43210 滤波：滤波： 2 210DD uauaai 伏伏安安特特性性： 如何求出如何求出U0与与 的关系？的关系？ 6.5零示法测量相位差（常用在微波领域） u02 + _ 零示器零示器 可变可变 移相器移相器 u1 u2 u01 + _ + _ 超前超前 0180o 0180o 零示法零示法一般不用在高、低频范围内，因为在此范围内移相器一般不用在高、低频范

14、围内，因为在此范围内移相器 不易于进行精密校正。而常用在微波领域。不易于进行精密校正。而常用在微波领域。 相位检波器法相位检波器法测相位差可以用在低频领域：测相位差可以用在低频领域： 优点是电路简单，可以直读。优点是电路简单，可以直读。 缺点是由于需用到变压器耦合，测量频率范围也不能太低缺点是由于需用到变压器耦合，测量频率范围也不能太低 （低频时，变压器的体积将会相当大）。（低频时，变压器的体积将会相当大）。 指示电表刻度是非线性的，计数误差也较大指示电表刻度是非线性的，计数误差也较大。 6.6测量范围的扩展 前面所提的几种测量相位差的方法，在被测信号频率较高的情况 下将无法使用。需用外差法扩

15、展相位差测量频率范围。 )tsin(UtsinUuuu:I uauaai LLmmL 11 2 210 混频器混频器 混频二极管伏安特性：混频二极管伏安特性： 本电路必须解本电路必须解 决的问题：决的问题： 用低频相位差用低频相位差 计所测得的值计所测得的值 就是被测高频就是被测高频 信号的相位差！信号的相位差！ 1.常用的测量相位差方法：用示波器测量，转换为时间间隔， 电压测量，零示法测量等。 2.实用的两种示波器测量相位差方法：直接比较法和椭圆法。 了解其具体内容和应用。 3.相位差转换为时间间隔进行测量，其基本思想是将被测信 号过零时时间差和周期进行测量 4.相位差转换为电压的测量。其基本原理是利用非线性器件 把相位差转换为电压或电流的增量，然后用电表指示被侧 相位差。 5.零示法是以精密移相器的相移值与被测信号的相移值做比 较采取反向补偿，用平衡指示器为零作显示，由精密移相 器直接读出信号