第六章_相位差測量

1、 第第6章章 相位差測量相位差測量1第第6 6章章 相位差測量相位差測量6.1 概述概述6.2 用示波器測量相位差用示波器測量相位差6.3 相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔進行測量相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔進行測量6.4 相位差轉(zhuǎn)換為電壓進行測量相位差轉(zhuǎn)換為電壓進行測量6.5 零示法測量相位差零示法測量相位差習題六習題六 第第6章章 相位差測量相位差測量26.1 概述概述 在本章中，相位差的測量在本章中，相位差的測量是指測量是指測量同一頻率同一頻率的兩信號的兩信號之間的相位差。之間的相位差。兩同頻正弦波信號間的相位關(guān)系兩同頻正弦波信號間的相位關(guān)系 第第6章章 相位差測量相位差測量3主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、相位差測量

2、的應(yīng)用一、相位差測量的應(yīng)用二、相位差的含義二、相位差的含義三、測量方法三、測量方法 第第6章章 相位差測量相位差測量4一、相位差測量的應(yīng)用一、相位差測量的應(yīng)用主要研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性，如放大器、濾波器等主要研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性，如放大器、濾波器等濾波器的幅頻特性濾波器的幅頻特性濾波器的相頻特性濾波器的相頻特性 第第6章章 相位差測量相位差測量5二、相位差的含義二、相位差的含義以正弦交流電壓為例：以正弦交流電壓為例：式中：式中：Um為電壓的振幅；為電壓的振幅；為角頻率；為角頻率； 為初相位為初相位)sin(0tUum)()()()(21212211ttt0tt0)sin()sin(22221111tUu

3、tUumm2121當當 時，時， (常數(shù)常數(shù))瞬時相位：瞬時相位：兩個信號瞬時相位差：兩個信號瞬時相位差：結(jié)論結(jié)論:兩個頻率相同的正弦量間的相位差是常數(shù)，并等于兩正弦量的初相之差。兩個頻率相同的正弦量間的相位差是常數(shù)，并等于兩正弦量的初相之差。 第第6章章 相位差測量相位差測量6主要有以下四類：主要有以下四類：示波法示波法時間間隔轉(zhuǎn)換法時間間隔轉(zhuǎn)換法V轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換法零示法零示法三、測量方法三、測量方法 第第6章章 相位差測量相位差測量76.2用示波器測量相位差用示波器測量相位差兩種有實用意義的方法：兩種有實用意義的方法：一、直接比較法一、直接比較法二、橢圓法二、橢圓法 第第6章章 相位差測量相位

4、差測量8一、直接比較法一、直接比較法測量原理測量原理：將同頻率將同頻率ul、u2分別接到雙蹤示波器的分別接到雙蹤示波器的Y1通道通道 和和Y2通道通道)sin()(sin)(2211tUtutUtumm過零點過零點ul超前超前u2(u1為觸發(fā)源為觸發(fā)源)(),(ACABttkACttkAB注：ACABttttTTACAB 360360360或或 相位差公式：相位差公式： 第第6章章 相位差測量相位差測量9例例1：如圖所示，求兩個同頻率正弦信號的相位差。如圖所示，求兩個同頻率正弦信號的相位差。 5 .678/5 . 1360360360divdivACABTT 周期周期TA BCDT 第第6章章

5、 相位差測量相位差測量10例例2：相位差測量：相位差測量：測兩次時間間隔取平均值。測兩次時間間隔取平均值。t2t1TttTttTttftt212121211802222 或或相位差公式：相位差公式： 第第6章章 相位差測量相位差測量11二、橢圓法二、橢圓法1.測量連線圖：測量連線圖：2.測量原理：測量原理：特殊相位差的特殊相位差的李沙育圖形李沙育圖形同頻正弦波信號同頻正弦波信號同頻正弦波信號同頻正弦波信號 第第6章章 相位差測量相位差測量12一般地，一般地，李沙育圖形為李沙育圖形為橢圓橢圓，而，而橢圓的形狀和兩橢圓的形狀和兩信號的相位差有關(guān)信號的相位差有關(guān)，基于此點用來測量相位差的方，基于此點

6、用來測量相位差的方法稱為橢圓法。法稱為橢圓法。tUutUummsin)sin(2211測量公式測量公式1：sinsin00mmXxYy)arcsin()arcsin(00mmXxYy因為因為X最大位移最大位移Y最大位移最大位移Y軸交點軸交點X軸交點軸交點 第第6章章 相位差測量相位差測量13 (a)橢圓圖形橢圓圖形 (b)相位差刻度板相位差刻度板測量公式測量公式2：ABarctan2長軸長軸短軸短軸優(yōu)點：比測量公式優(yōu)點：比測量公式1的測量誤差小的測量誤差小 第第6章章 相位差測量相位差測量143.校正系統(tǒng)固有相位差校正系統(tǒng)固有相位差調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)同一正弦波信號同一正弦波信號 (a) 校正校正 (b)

7、 測量測量00校正后進行測量校正后進行測量 第第6章章 相位差測量相位差測量156.3相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔進行測量相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔進行測量 用示波器測量相位差的方法簡便易行，用示波器測量相位差的方法簡便易行，但測量準確度低。但測量準確度低。 時間間隔轉(zhuǎn)換法是把時間間隔轉(zhuǎn)換法是把相位差轉(zhuǎn)換為時間相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔，先測量出時間間隔再換算為相位差間隔，先測量出時間間隔再換算為相位差。SP3386型高精度型高精度通用計數(shù)器通用計數(shù)器/相位計相位計TT 360 第第6章章 相位差測量相位差測量16相位差與時間間隔的關(guān)系推導(dǎo)相位差與時間間隔的關(guān)系推導(dǎo)）（TtUtUtumm(sinsin)(222t

8、Utumsin)(11TTTfT3602因為因為又兩信號的相位差為初相位之差，所以又兩信號的相位差為初相位之差，所以 第第6章章 相位差測量相位差測量17)()()(,0)(,00)(, 0)0(112121211121ttTtTtttTuu時當時當過零點所以所以,T是兩個同頻正弦信號是兩個同頻正弦信號過零點過零點之間的時間間隔。之間的時間間隔。TT360） TtUtum(sin)(22tUtumsin)(11過零點過零點 第第6章章 相位差測量相位差測量18主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、模擬式直讀相位計一、模擬式直讀相位計二、數(shù)字式相位差計二、數(shù)字式相位差計 第第6章章 相位差測量相位差測量19一、模

9、擬式直讀相位計一、模擬式直讀相位計測量原理：測量原理：(a)原理框圖原理框圖 (b)各點波形圖各點波形圖平均電流平均電流電流表電流表過零點觸發(fā)過零點觸發(fā)脈寬為時間間隔脈寬為時間間隔如如RS、JK、D和和T觸發(fā)器等觸發(fā)器等010 第第6章章 相位差測量相位差測量20相位差與平均電流的關(guān)系：相位差與平均電流的關(guān)系：成正比的關(guān)系成正比的關(guān)系mITTI0mIITT0360360T平均電流平均電流I0T 第第6章章 相位差測量相位差測量21二、數(shù)字式相位差計二、數(shù)字式相位差計 數(shù)字式相位差計又稱電子計數(shù)式相位差計數(shù)字式相位差計又稱電子計數(shù)式相位差計1.測量原理與波形圖：測量原理與波形圖：測量原理：測量原

10、理：根據(jù)相位差公式：根據(jù)相位差公式：應(yīng)用電子計數(shù)器測量應(yīng)用電子計數(shù)器測量周期周期T和兩同頻正弦波和兩同頻正弦波過零點過零點時間差時間差T ，依上式換算為相位差。，依上式換算為相位差。TT360 第第6章章 相位差測量相位差測量22原理波形圖原理波形圖ccfTTTNccfTTTnTnTNfcNnTT360360所以所以時間閘門時間閘門時間閘門時間閘門測量一個周期測量一個周期缺點：不能直讀。缺點：不能直讀。 第第6章章 相位差測量相位差測量232.實用電子計數(shù)式相位差計實用電子計數(shù)式相位差計測量方法的改進：測量方法的改進：ffbc10360一般取bbcTfTfN1036010360)10(1036

11、0360360bbnnNn因此測量公式：因此測量公式：原理框圖：原理框圖：計數(shù)計數(shù)n 第第6章章 相位差測量相位差測量24測量誤差：測量誤差： 與測量時間間隔的誤差源相同，主要包括與測量時間間隔的誤差源相同，主要包括標準頻率誤差、觸發(fā)誤差和量化誤差標準頻率誤差、觸發(fā)誤差和量化誤差。量化誤差量化誤差n1所帶來的相位誤差：所帶來的相位誤差：例如，例如，被測信號的頻率被測信號的頻率f10kHz，取，取b1，fc36010 10kHz36MHz，則，則)10(b1 . 0)10(b)10(bn結(jié)論：相位測量精度與結(jié)論：相位測量精度與b的選擇有關(guān)。的選擇有關(guān)。 第第6章章 相位差測量相位差測量25優(yōu)缺點

12、：優(yōu)缺點：優(yōu)點優(yōu)點1)測量迅速，讀數(shù)直觀清晰。測量迅速，讀數(shù)直觀清晰。2)可以測量兩個同頻正弦信號每一個周期的相位可以測量兩個同頻正弦信號每一個周期的相位差，即差，即“瞬時瞬時”相位。相位。ffbc10360)10(bn缺點缺點1)測量頻率低。測量頻率低。2)當被測信號頻率改變時，需跟蹤調(diào)整晶振的頻率當被測信號頻率改變時，需跟蹤調(diào)整晶振的頻率fc 第第6章章 相位差測量相位差測量26) 1(KKTTm3.平均值相位計：平均值相位計：測量原理框圖和波形測量原理框圖和波形測量測量K個周期個周期時間閘門時間閘門的輸出：的輸出：時間閘門時間閘門的輸出：的輸出：分頻分頻KnA計數(shù)值計數(shù)值A(chǔ)與與n的關(guān)系的

13、關(guān)系:) 1(KKTTmTm與與T可以無關(guān)可以無關(guān)實質(zhì)：多周期測量實質(zhì)：多周期測量 第第6章章 相位差測量相位差測量27測量原理測量原理TTKm/afTAcm)360/(式中 為比例系數(shù))360/ )(cmfTa (g為整數(shù))ga10使gA10TfncTT /360優(yōu)點：優(yōu)點：1)測量迅速，讀數(shù)直觀清晰。測量迅速，讀數(shù)直觀清晰。2)不必調(diào)不必調(diào)fc去跟蹤被測信號頻率。去跟蹤被測信號頻率。3)量化誤差?。挥闪炕`差?。挥蒚m引起的誤差很小，一般可以忽略引起的誤差很小，一般可以忽略KnA 第第6章章 相位差測量相位差測量284.校正校正校正對象：校正對象： 兩個通道的不一致性而引入的兩個通道的不一

14、致性而引入的固有相位差固有相位差/相移相移校正方法：校正方法：A1A2(a)校正校正(b) 測量測量gAA10)(12兩信號的相位差為：兩信號的相位差為：A1固有相位固有相位差的計數(shù)值差的計數(shù)值A(chǔ)2實測的相實測的相位差計數(shù)值位差計數(shù)值 第第6章章 相位差測量相位差測量29自動校正原理框圖自動校正原理框圖核心器件核心器件互鎖互鎖測量測量校正校正A2A1自動完成自動完成A2A1的運算的運算擴大固有相移擴大固有相移提高測量精度提高測量精度gAA10)(12 第第6章章 相位差測量相位差測量306.4相位差轉(zhuǎn)換為電壓進行測量相位差轉(zhuǎn)換為電壓進行測量二、相位差二、相位差電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字

15、相位計 一、模擬電表指示的相位計一、模擬電表指示的相位計按相位按相位電壓轉(zhuǎn)換電路性質(zhì)的不同有：電壓轉(zhuǎn)換電路性質(zhì)的不同有： 第第6章章 相位差測量相位差測量31一、模擬電表指示的相位計一、模擬電表指示的相位計1.測量原理：測量原理： 利用利用鑒相器或檢相器鑒相器或檢相器將將相位差轉(zhuǎn)換為電壓或電流相位差轉(zhuǎn)換為電壓或電流的增量的增量，在電壓表或電流表盤上刻上相位刻度，由，在電壓表或電流表盤上刻上相位刻度，由電表指示被測信號的相位差。電表指示被測信號的相位差。鑒鑒相相器器輸入輸入電路電路輸入輸入電路電路濾濾波波器器電電表表u1(t)u2(t)ud(t)UO相位差電壓轉(zhuǎn)換相位差電壓轉(zhuǎn)換直流直流電壓電壓

16、第第6章章 相位差測量相位差測量322.鑒相器鑒相器差接式相位檢波電路：差接式相位檢波電路：cos)()()(22mFdUtutututUtumsin)(11）（tUtumsin)(22RC低通低通濾波器濾波器cos20mUU 已知：已知：結(jié)論：結(jié)論：濾波后的直流電壓：濾波后的直流電壓：請思考：請思考：相位差刻度如何標定相位差刻度如何標定?ud(t)鑒相器鑒相器 第第6章章 相位差測量相位差測量33二、相位差二、相位差電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計1.原理框圖原理框圖:1LSB?相位差相位差電壓電壓時間間隔時間間隔雙穩(wěn)雙穩(wěn)電路電路數(shù)字式顯示數(shù)字式顯示 第第6章章 相位差測量相位差測量

17、342.原理波形圖原理波形圖濾波后的直流電壓濾波后的直流電壓U0TTUUg03603600ggUUU相位差轉(zhuǎn)換相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔為時間間隔整形整形整形整形微分微分1LSB Ug360 第第6章章 相位差測量相位差測量356.5 零示法測量相位差零示法測量相位差1.測量原理測量原理零示法又稱比較法，它是以一精密移相器零示法又稱比較法，它是以一精密移相器相移值與被測相移值作比較，調(diào)節(jié)精密移相器相移值與被測相移值作比較，調(diào)節(jié)精密移相器使平衡指示器示零，則使平衡指示器示零，則精密移相器表針指示的精密移相器表針指示的相移值就是兩被測信號間的相位差值相移值就是兩被測信號間的相位差值。抵消被測信號間的相位

18、差抵消被測信號間的相位差電壓表電壓表或電流表或電流表或示波器或示波器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 第第6章章 相位差測量相位差測量362.移相器移相器RC移相器移相器(a)低通濾波器：如圖低通濾波器：如圖(a)輸出電壓與輸入電壓的相位差為輸出電壓與輸入電壓的相位差為(b)高通濾波器：如圖高通濾波器：如圖(b)輸出電壓與輸入電壓的相位差為輸出電壓與輸入電壓的相位差為缺點：相移調(diào)節(jié)范圍小，不同相移輸出電壓幅度不同缺點：相移調(diào)節(jié)范圍小，不同相移輸出電壓幅度不同)/(1arctanRC )/(1arctan2RC 相位差相位差00900相位差相位差00900 第第6章章 相位差測量相位差測量37一種改進的一種改進的RC移相器移相器uo與與ui之間的相位差之間的相位差001800cRR 第第6章章 相位差測量相位差測量38SP3386型高精度通用計數(shù)器型高精度通用計數(shù)器/相位計相位計 頻率范圍頻率范圍通道通道 1 和通道和通道 20.14mHz150MHz 通道通道 2U 100MHz1.5GHz （ 90 型）型） 通道通道 3 100MHz500MHz （ 05 型）型） 100MHz1.5GHz （ 15 型）型） 100MHz2.5GH