第六章_相位差測(cè)量

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

2、的應(yīng)用一、相位差測(cè)量的應(yīng)用二、相位差的含義二、相位差的含義三、測(cè)量方法三、測(cè)量方法 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量4一、相位差測(cè)量的應(yīng)用一、相位差測(cè)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(cè)量相位差測(cè)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(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， (常數(shù)常數(shù))瞬時(shí)相位：瞬時(shí)相位：兩個(gè)信號(hào)瞬時(shí)相位差：兩個(gè)信號(hào)瞬時(shí)相位差：結(jié)論結(jié)論:兩個(gè)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(gè)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(cè)量相位差測(cè)量6主要有以下四類：主要有以下四類：示波法示波法時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換法時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換法V轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換法零示法零示法三、測(cè)量方法三、測(cè)量方法 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量76.2用示波器測(cè)量相位差用示波器測(cè)量相位差兩種有實(shí)用意義的方法：兩種有實(shí)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(cè)量相位

4、差測(cè)量8一、直接比較法一、直接比較法測(cè)量原理測(cè)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(diǎn)過零點(diǎn)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(cè)量相位差測(cè)量9例例1：如圖所示，求兩個(gè)同頻率正弦信號(hào)的相位差。如圖所示，求兩個(gè)同頻率正弦信號(hào)的相位差。 5 .678/5 . 1360360360divdivACABTT 周期周期TA BCDT 第第6章章

5、 相位差測(cè)量相位差測(cè)量10例例2：相位差測(cè)量：相位差測(cè)量：測(cè)兩次時(shí)間間隔取平均值。測(cè)兩次時(shí)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(cè)量相位差測(cè)量11二、橢圓法二、橢圓法1.測(cè)量連線圖：測(cè)量連線圖：2.測(cè)量原理：測(cè)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(hào)同頻正弦波信號(hào)同頻正弦波信號(hào)同頻正弦波信號(hào) 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)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(hào)的相位差有關(guān)信號(hào)的相位差有關(guān)，基于此點(diǎn)用來測(cè)量相位差的方，基于此點(diǎn)

6、用來測(cè)量相位差的方法稱為橢圓法。法稱為橢圓法。tUutUummsin)sin(2211測(cè)量公式測(cè)量公式1：sinsin00mmXxYy)arcsin()arcsin(00mmXxYy因?yàn)橐驗(yàn)閄最大位移最大位移Y最大位移最大位移Y軸交點(diǎn)軸交點(diǎn)X軸交點(diǎn)軸交點(diǎn) 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)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(cè)量公式測(cè)量公式2：ABarctan2長(zhǎng)軸長(zhǎng)軸短軸短軸優(yōu)點(diǎn)：比測(cè)量公式優(yōu)點(diǎn)：比測(cè)量公式1的測(cè)量誤差小的測(cè)量誤差小 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)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(hào)同一正弦波信號(hào) (a) 校正校正 (b)

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

8、Utumsin)(11TTTfT3602因?yàn)橐驗(yàn)橛謨尚盘?hào)的相位差為初相位之差，所以又兩信號(hào)的相位差為初相位之差，所以 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量17)()()(,0)(,00)(, 0)0(112121211121ttTtTtttTuu時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)過零點(diǎn)所以所以,T是兩個(gè)同頻正弦信號(hào)是兩個(gè)同頻正弦信號(hào)過零點(diǎn)過零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。之間的時(shí)間間隔。TT360） TtUtum(sin)(22tUtumsin)(11過零點(diǎn)過零點(diǎn) 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量18主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、模擬式直讀相位計(jì)一、模擬式直讀相位計(jì)二、數(shù)字式相位差計(jì)二、數(shù)字式相位差計(jì) 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量19一、模

9、擬式直讀相位計(jì)一、模擬式直讀相位計(jì)測(cè)量原理：測(cè)量原理：(a)原理框圖原理框圖 (b)各點(diǎn)波形圖各點(diǎn)波形圖平均電流平均電流電流表電流表過零點(diǎn)觸發(fā)過零點(diǎn)觸發(fā)脈寬為時(shí)間間隔脈寬為時(shí)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(cè)量相位差測(cè)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(cè)量相位差測(cè)量21二、數(shù)字式相位差計(jì)二、數(shù)字式相位差計(jì) 數(shù)字式相位差計(jì)又稱電子計(jì)數(shù)式相位差計(jì)數(shù)字式相位差計(jì)又稱電子計(jì)數(shù)式相位差計(jì)1.測(cè)量原理與波形圖：測(cè)量原理與波形圖：測(cè)量原理：測(cè)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(jì)數(shù)器測(cè)量應(yīng)用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期周期T和兩同頻正弦波和兩同頻正弦波過零點(diǎn)過零點(diǎn)時(shí)間差時(shí)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(cè)量相位差測(cè)量22原理波形圖原理波形圖ccfTTTNccfTTTnTnTNfcNnTT360360所以所以時(shí)間閘門時(shí)間閘門時(shí)間閘門時(shí)間閘門測(cè)量一個(gè)周期測(cè)量一個(gè)周期缺點(diǎn)：不能直讀。缺點(diǎn)：不能直讀。 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量232.實(shí)用電子計(jì)數(shù)式相位差計(jì)實(shí)用電子計(jì)數(shù)式相位差計(jì)測(cè)量方法的改進(jìn)：測(cè)量方法的改進(jìn)：ffbc10360一般取bbcTfTfN1036010360)10(1036

11、0360360bbnnNn因此測(cè)量公式：因此測(cè)量公式：原理框圖：原理框圖：計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)n 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量24測(cè)量誤差：測(cè)量誤差： 與測(cè)量時(shí)間間隔的誤差源相同，主要包括與測(cè)量時(shí)間間隔的誤差源相同，主要包括標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差、觸發(fā)誤差和量化誤差標(biāo)準(zhǔn)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(cè)信號(hào)的頻率被測(cè)信號(hào)的頻率f10kHz，取，取b1，fc36010 10kHz36MHz，則，則)10(b1 . 0)10(b)10(bn結(jié)論：相位測(cè)量精度與結(jié)論：相位測(cè)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(cè)量相位差測(cè)量25優(yōu)缺點(diǎn)

12、：優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1)測(cè)量迅速，讀數(shù)直觀清晰。測(cè)量迅速，讀數(shù)直觀清晰。2)可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻正弦信號(hào)每一個(gè)周期的相位可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻正弦信號(hào)每一個(gè)周期的相位差，即差，即“瞬時(shí)瞬時(shí)”相位。相位。ffbc10360)10(bn缺點(diǎn)缺點(diǎn)1)測(cè)量頻率低。測(cè)量頻率低。2)當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率改變時(shí)，需跟蹤調(diào)整晶振的頻率當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率改變時(shí)，需跟蹤調(diào)整晶振的頻率fc 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量26) 1(KKTTm3.平均值相位計(jì)：平均值相位計(jì)：測(cè)量原理框圖和波形測(cè)量原理框圖和波形測(cè)量測(cè)量K個(gè)周期個(gè)周期時(shí)間閘門時(shí)間閘門的輸出：的輸出：時(shí)間閘門時(shí)間閘門的輸出：的輸出：分頻分頻KnA計(jì)數(shù)值計(jì)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(shí)質(zhì)：多周期測(cè)量實(shí)質(zhì)：多周期測(cè)量 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量27測(cè)量原理測(cè)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(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1)測(cè)量迅速，讀數(shù)直觀清晰。測(cè)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(cè)信號(hào)頻率。去跟蹤被測(cè)信號(hào)頻率。3)量化誤差??；由量化誤差小；由Tm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(cè)量相位差測(cè)量284.校正校正校正對(duì)象：校正對(duì)象： 兩個(gè)通道的不一致性而引入的兩個(gè)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(cè)量測(cè)量gAA10)(12兩信號(hào)的相位差為：兩信號(hào)的相位差為：A1固有相位固有相位差的計(jì)數(shù)值差的計(jì)數(shù)值A(chǔ)2實(shí)測(cè)的相實(shí)測(cè)的相位差計(jì)數(shù)值位差計(jì)數(shù)值 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量29自動(dòng)校正原理框圖自動(dòng)校正原理框圖核心器件核心器件互鎖互鎖測(cè)量測(cè)量校正校正A2A1自動(dòng)完成自動(dòng)完成A2A1的運(yùn)算的運(yùn)算擴(kuò)大固有相移擴(kuò)大固有相移提高測(cè)量精度提高測(cè)量精度gAA10)(12 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量306.4相位差轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行測(cè)量相位差轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行測(cè)量二、相位差二、相位差電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計(jì)電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字

15、相位計(jì) 一、模擬電表指示的相位計(jì)一、模擬電表指示的相位計(jì)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(cè)量相位差測(cè)量31一、模擬電表指示的相位計(jì)一、模擬電表指示的相位計(jì)1.測(cè)量原理：測(cè)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(cè)信號(hào)的相位差。電表指示被測(cè)信號(hào)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(cè)量相位差測(cè)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(qǐng)思考：請(qǐng)思考：相位差刻度如何標(biāo)定相位差刻度如何標(biāo)定?ud(t)鑒相器鑒相器 第第6章章 相位差測(cè)量相位差測(cè)量33二、相位差二、相位差電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計(jì)電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計(jì)1.原理框圖原理框圖:1LSB?相位差相位差電壓電壓時(shí)間間隔時(shí)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(cè)量相位差測(cè)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(shí)間間隔為時(shí)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(cè)量相位差測(cè)量356.5 零示法測(cè)量相位差零示法測(cè)量相位差1.測(cè)量原理測(cè)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(cè)相移值作比較，調(diào)節(jié)精密移相器相移值與被測(cè)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(cè)信號(hào)間的相位差值相移值就是兩被測(cè)信號(hào)間的相位差值。抵消被測(cè)信號(hào)間的相位

18、差抵消被測(cè)信號(hào)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(cè)量相位差測(cè)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(diǎn)：相移調(diào)節(jié)范圍小，不同相移輸出電壓幅度不同缺點(diǎn)：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(cè)量相位差測(cè)量37一種改進(jìn)的一種改進(jìn)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(cè)量相位差測(cè)量38SP3386型高精度通用計(jì)數(shù)器型高精度通用計(jì)數(shù)器/相位計(jì)相位計(jì) 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