《{电子公司企业管理}电子测量技术基础第06章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《{电子公司企业管理}电子测量技术基础第06章（91页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第章相位差测量,6.1概述 6.2用示波器测量相位差 6.3相位差转换为时间间隔进行测量 6.4相位差转换为电压进行测量 6.5零示法测量相位差 6.6测量范围的扩展 小结 习题6,6.1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 u=Um sin(t+0)(6.1-1) 式中： Um为电压的振幅； 为角频率； 0为初相位。 设=t+0， 称为瞬时相位， 它随时间改变， 0是t=0时刻的瞬时相位值。 两个角频率为1、 2的正弦电压分别为,u1=Um1 sin(1t+1) u2=Um2 sin(2t+2) (6.1-2) 它们的瞬时相位差为 =(1t+1
2、)(2t+2) =(12)t+(12) (6.1-3) 显然， 两个角频率不相等的正弦电压(或电流)之间的瞬时相位差是时间t的函数， 它随时间改变而改变。 当两正弦电压的角频率1=2=时， 有 =12 (6.1-4),由此可见，两个频率相同的正弦量间的相位差是常数， 等于两正弦量的初相之差。 在实际工作中， 经常需要研究诸如放大器、 滤波器等各种器件的频率特性， 即输出、 输入信号间的幅度比随频率的变化关系(幅频特性)和输出、 输入信号间的相位差随频率的变化关系(相频特性)。 尤其在图像信号传输与处理、 多元信号的相干接收等学科领域， 研究网络(或系统)的相频特性显得更为重要。,相位差的测量是
3、研究网络相频特性中必不可少的重要方面， 如何使相位差的测量快速、 精确已成为生产科研中重要的研究课题。 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； 与标准移相器进行比较的比较法(零示法)等。 本章对上述四类方法测量相位差的基本工作原理都将作一介绍， 但重点讨论把相位差转换为时间间隔的测量方法。,6.2用示波器测量相位差 应用示波器测量两个同频正弦电压之间的相位差的方法很多， 本节仅介绍具有实用意义的直接比较法和椭圆法。6.2.1直接比较法 设电压为 u1(t)=Um1
4、sin(t+) u2(t)=Um2 sint(6.2-1) 为了叙述方便， 设式(6.2-1)中u2(t)的初相位为零。,将u1、 u2分别接到双踪示波器的Y1通道和Y2通道， 适当调节扫描旋钮和Y增益旋钮， 使荧光屏显示出如图6.2-1所示的上、 下对称的波形。 设u1过零点分别为A、 C点， 对应的时间为tA、 tC; u2过零点分别为B、 D点， 对应的时间为tB、 tD。 正弦信号变化一周是360， u1过零点A比u2过零点B提前tBtA出现， 所以u1超前u2的相位， 即u1与u2的相位差为,(6.2-2),式中， T为两同频正弦波的周期； T为两正弦波过零点的时间差。,图6.2-1
5、比较法测量相位差,若示波器水平扫描的线性度很好， 则可将线段AB写为ABk(tCtA)， 线段ACk(tCtA)， 其中k为比例常数， 式(6.2-2)改写为,(6.2-3),量得波形过零点之间的长度AB和AC， 即可由式(6.2-3)计算出相位差。 在示波器上用直接比较法测量两同频正弦量的相位差， 其测量误差主要来源于：,(1) 示波器水平扫描的非线性， 即扫描用的锯齿电压呈非线性。 (2) 双踪示波器两垂直通道Y1、 Y2一致性差而引入了附加的相位差。 例如， u1经Y1通道传输后有15相位滞后， u2经Y2通道传输后有12相位滞后， 那么引入的附加相位差=1512=3。 (3) 人眼读数
6、误差。 这项误差是三项误差中最大的。 直接比较法的测量精确度不高， 一般为(25)。,应当说明， 在应用直接比较法测量相位差时尽量使用双踪示波器， 两个正弦波形同时显示在荧光屏上， 观测两波形过零点时间及周期方便且较准确。 如果仅有普通单踪示波器， 则可作如下测量： 先把u1接到Y通道输入端， 显示出上、 下对称的u1波形， 记下波形过零点A、 C的位置， 然后换接u2于Y通道， 显示出上、 下对称的u2波形， 注意显示u2波形时的横坐标线应与显示u1波形时的横坐标线在同一条直线上， 记下u2波形过零点B、 D的位置， 由式(6.2-3)计算出相位差。,用单踪示波器测量两正弦量的相位差时应采用
7、外同步， 通常把u1(或u2)接到外同步输入端， 使两次测量(分别显示u1和u2波形)都用u1(或u2)同步。 因单踪示波器测量两正弦量相位差时分别显示u1、 u2波形， 若扫描因数和起点位置不同， 则会引入相当大的误差， 且两次波形显示过零点需 记录和测量， 这也会带来误差。 所以， 用单踪示波器测量相位差比用双踪示波器时误差还要大。,6.2.2椭圆法 在5.6节中讲述了李沙育图形法测量信号频率， 若频率相同的两个正弦量信号分别接到示波器的X通道与Y通道， 则一般情况下示波器荧光屏上显示的李沙育图形为椭圆， 而椭圆的形状和两信号的相位差有关， 基于此点测量相位差的方法称为椭圆法。 一般情况下
8、， 示波器的X、 Y两个通道可看做线性系统， 所以荧光屏上光点的位移量正比于输入信号的瞬时值。 如图6.2-2所示， u1加于Y通道， u2加于X通道， 则光点沿垂直及水平的瞬时位移量y和x分别为,y=KYu1 x=KXu2(6.2-4) 式中， KY、 KX为比例常数。 设u1、 u2分别为 u1=Um1 sin(t+) u2=Um2 sint(6.2-5) 将式(6.2-5)代入式(6.2-4)得 y=KYUm1 sin(t+)=Ym sin(t+) =Ym sint cos+Ym cost sin(6.2-6(a)x=KXUm2 sint=Xm sint (6.2-6(b),式中， Ym
9、、 Xm分别为光点沿垂直及水平方向的最大位移。 由式(6.2-6(b)得sint=x/Xm， 代入式(6.2-6(a)得 (6.2-7) 式(6.2-7)是一个广义的椭圆方程， 其椭圆图形如图6.2-3所示。 分别令式(6.2-7)中x=0, y=0， 求出椭圆与垂直、 水平轴的交点y0、 x0等于： y0=Ym sin x0=Xm sin (6.2-8),图6.2-2椭圆法测量相位差,图6.2-3椭圆图形,由式(6.2-8)可解得相位差为,(6.2-9),当(2n1)90(n为整数)时， x0靠近Xm， 而y0靠近 Ym， 难以把它们读准， 而且这时y0和x0值对变化也很不敏感， 所以这时测
10、量误差就会增大。 应用椭圆的长、 短轴之比关系计算就可有效地减小这种情况引起的测量误差。 设椭圆的长轴为A， 短轴为B， 可以证明相位差为,(6.2-10),如果在示波器荧光屏上配置一个如图6.2-4所示的刻度板， 则测量时读取椭圆长、 短轴刻度， 由式(6.2-10)可算出。 由于椭圆总是与短轴垂直， 测量视角小， 同时短轴对的变化很敏感， 因而测量误差较小。,图6.2-4相位差刻度板,还应说明的是， 示波器Y通道、 X通道的相频特性一般不是完全一样的， 这会引起附加相位差， 又称系统的固有相位差。 为消除系统固有相位差的影响， 通常在一个通道前接一移相器(如Y通道前)， 在测量前先把一个信
11、号(如u1(t)接入X通道和经移相器接入Y通道， 如图6.2-5(a)所示。 调节移相器使荧光屏上显示的图形为一条直线， 然后把一个信号经移相器接入Y通道， 另一个信号接入X通道进行相位差测量， 如图6.2-5(b)所示。,图6.2-5校正系统的固有相位差,6.3相位差转换为时间间隔进行测量 式(6.2-2)中， T为两同频正弦波的周期， T为两正弦波过零点的时间差， 它们都是时间间隔。 6.2节中通过刻度尺测量出示波器荧光屏上显示出的T、 T， 然后代入式(6.2-2)计算出相位差。 若通过电子技术设法测量出T与T， 同样代入式(6.2-2)也可得到相位差。 本节介绍两种实用的相位计模拟式直
12、读相位计和数字式相位计。,6.3.1模拟式直读相位计 图6.3-1(a)是模拟式直读相位计的原理框图， 图(b)是相应各点的波形图。 两路同频正弦波u1和u2经各自的脉冲形成电路得到两组窄脉冲uc和ud。 窄脉冲出现于正弦波电压从负到正通过零的瞬间(也可以是从正到负过零的瞬间)。 将uc、 ud接到双稳态触发器的两个触发输入端。,图6.3-1模拟式直读相位计的原理框图与各点的波形,uc使该触发器翻转成为上面管导通(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)、 上面管截止(i=0)的状态。 这样的过程反复进行。 双稳态电路下面管输出电压ue
13、和上面管流过的直流i都是矩形脉冲， 脉冲宽度为T， 重复周期为T， 因此它们的平均值正比于相位差。 以电流为例， 其平均电流为,(6.3-1),联系式(6.2-2)， 得,(6.3-2),由于管子的导通电流Im是固定的， 因此相位差与平均电流I0成正比。 用一电流表串联接入双稳态上面管子集电极回路， 测出其平均值I0， 代入式(6.3-2)即可求得。 一般表头面盘直接用相位差刻度， 其刻度是根据式(6.3-2)线性关系刻出的。 测量时由表针指示即可直接读出两信号的相位差。,6.3.2数字式相位计 数字式相位计又称电子计数式相位计， 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
14、差T， 据式(6.2-2)换算为相位差。 下面对照图6.3-2所示的波形图讲述该法的基本原理。 图6.3-2中， u1、 u2为两个同频但具有一定相位差的正弦信号； uc、 ud分别为u1、 u2经各自的脉冲形成电路输出的尖脉冲信号。,图6.3-2数字式相位计原理波形图,两路尖脉冲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的宽度等于待测两信号周期T的闸门信号， 用来控制时间闸门； 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的控制下通过闸门加于计数器计数的脉冲， 设计数值为N； ug为用uc、 ud去触发一个双稳态多谐振
15、荡器形成的 反映u1、 u2过零点时间差宽度为T的另一闸门信号； uk为标准频率脉冲(频率为fc)在ug闸门时间信号的控制下通过另一闸门加于另一计数器计数的脉冲， 设计数值为n。,由图6.3-2所示的波形图可见：,(6.3-3),将式(6.3-3)代入式(6.2-2)， 得被测两信号相位差为,(6.3-4),以上讲述的数字式相位计的原理在理论上是可行的， 但具体电路实现的构成仪器是复杂的， 操作是不方便的。,因为它需要两个闸门时间形成电路， 两个计数显示电路， 同时， 在读得N与n之后还要经式(6.3-4)换算为相位差， 不能直读。 为使电路简单， 测量操作简便， 一般取 fc=360 10b
16、 f(6.3-5) 式中， b为整数。 将式(6.3-5)代入式(6.3-3)， 得 N=fcT=360 10b f T=360 10b(6.3-6) 再将式(6.3-6)代入式(6.3-4)， 得 =n 10b (6.3-7),由式(6.3-7)可以看出， 数值n就代表相位差， 只是小数点位置不同。 它可经译码显示电路以数字显示出来， 并自动指示小数点位置， 测量者可直接读出相位差。只要使晶振标准频率满足式(6.3-5)， 就不必测量待测信号周期T的数值， 从而可节省一个闸门形成电路和一个计数显示电路。 依此思路， 实用的电子计数式直读相位计的框图如图6.3-3所示。,待测信号u1(t)和u2(t)经脉冲形成电路变换为尖脉冲信号， 去控制双稳态触发电路产生宽度等于T的闸门信号以控制时间闸门的启、 闭。 晶振产生的频率fc满足式(6.3-5)的正弦信号， 经脉冲形成电路变换成频率为fc的窄脉冲， 在时间闸门开启时通过
