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 sin0tUummU0 2121221122221111 sin sintttt
2、UutUumm 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 21216.2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。tUtutU
3、tummsin)(sin)(22111u2u1.11.1sinx()sinx0.5()70 xATTBCD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ACABTTttttooACABo 360360360 二、椭圆法二、椭圆法 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
4、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） 21uKxuKyXY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(2211tUutUummtsinXtsinUKxsintcosYcostsinY)tsin(Y)tsin(UKymmXmmmmY 21 0000 ymxmXxarcsinYyarcsin 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：sincos22xXxXYymmm 当相位差接近(2n
5、-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？）。ABarctg2 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U1U1U2右倾时右倾时9006.3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
6、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，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）momIIITTI00360 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
7、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。 ACABTTttttooACABo 360360360 1.11.1sinx()sinx0.5()70 xATTBCDImIoT 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1.11.1sinx()sinx0.5()70 xATTBCDImIoT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
8、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NnTTTnTNfcbboooobobocboc
9、nnNnTTTfTfNff1010360360360360103601036010360l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
10、变晶振标准频率使只满足 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。2ffboc10360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2BEDATTmKTnn设定为设定为A 组组CBDEAT a/fTAKnA,TTTfn,T/TKocmocm 360360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。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
11、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)()(22112mRcFUtuUUtuu)sin(sin2211tUutUumm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都远远大于被测信号周期。二、平衡式相位检波电路（利用二极管的伏安特性）214213212211uuuuuuuuuuuuDDDD 0C211 uuuD对对交
12、交流流短短路路滤滤波波电电容容 cosKIiiiii 043210滤波：滤波：2210DDuauaai 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u1u2u01+_+_超前超前0180o0180o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
13、。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。需用外差法扩展相位差测量频率范围。 )tsin(UtsinUuuu:IuauaaiLLmmL 112210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
14、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相位差小结习题习题1.举例说明测量相位差的重要意义。2.测量相位差的主要方法有哪些？简述他们各自的优缺点。3.用椭圆法测量两正弦相位差，在示波器上显示如图6.2-3所示，测的椭圆中心横轴到图形最高点的高度Ym=5cm，椭圆与Y轴焦点y0=4cm，求相位差。4.为什么“瞬时”式数字相位差计只适用于测量固定频率的相位差？如何扩展测量的频率范围？5.用示波器测量两通频正弦信号的相位差，示波器上呈现椭圆的长轴A为10 cm，短轴B为4 cm，试计算两信号的相位差。
