第六章-相位差的测量.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第六章 相位差测量,目 录,6.1 相位测量概述,6.2 示波相位差测量,6.3 相位差转换成时间间隔测量,6.4 相位差转换成电压测量,6.5 零示法测量相位,6.6 测量范围的扩展,1,振幅,、,频率,和,相位,是描述交流信号的三个“要素”。,u,(,t,),=U,m,sin,(,t+,0,）,U,m,为电压的振幅；,为频率；,0,为初相位；,t+,0,称瞬时相位，随时间改变。,当两个角频率为,1,、,2,的交流信号分别为,u,1,(,t,),=U,m,sin,(,1,t+,1,）,u,2,(,t,),=U,m,sin,(,2,t+,2,）,（6.1-2）,则，它们的瞬时相位差,(,t,),(,1,t,+,1,）,-(,2,t,+,2,）,（,1,-,2,),t,(,1,-,2,),（6.1-3）,6.1 相位测量概述,第六章 相位差测量,2,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，随时间的改变而改变。,当两个正弦电压的角频率,1,=,2,=,时,则有：,(,t,),1,2,(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，并等于两正弦量的初相之差,。,应用：研究诸如放大器、滤波器、各种器件等的频率特性。,1、输入输出信号间幅度比随频率的变化关系（幅频特性）,2、输出输入信号间相位差随频率的变化关系（相频特性）,第六章 相位差测量,6.1 相位测量概述,3,测量相位差的方法很多，主要有：,简单直观的示波器测量方法,把相位差转化为时间间隔,测量出时间间隔再换算为相位差,把相位差转换为电压，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。,本章对上述四类方法测量相位差的基本工作原理作以介绍，,重点是把相位差转换为时间间隔的测量方法,。,第六章 相位差测量,6.1 相位测量概述,4,6.2 示波相位差测量,示波相位差测量就是应用示波器测量两个同频正弦电压之间的相位差。,示波器测量相位差的方法很多,本节仅介绍更具有实用意义的直接比较法和椭圆法。,第六章 相位差测量,5,设同频率的两电压信号为,一、直接比较法,将,u,1,(,t,)，,u,2,(,t,)分别接到双踪示波器的,Y,1,和,Y,2,通道,适当调节扫描旋钮,使在荧光屏上显示出如下图所示的上下对称的波形。,图6.21 比较法测量相位差,第六章 相位差测量,6,第六章 相位差测量,设,u,1,(,t,)分别为,A、C,点,对应的时间,t,A,、,t,C,u,2,(,t,)过零点分别为,B、D,点,对应的时间为,t,B,、,t,D,正弦信号变化一周是360度,u,1,(,t,)的过零点,A,比,u,2,(,t,)过零,点,B,提前,t,B,-,t,A,出现，所以,u,1,(,t,)超前,u,2,(,t,)的相位，即,u,2,(,t,)与,u,1,(,t,)的相位差,360,0,(,t,B,-,t,A,)/(,t,C,-,t,A,)=360,0,(,T,/,T,)(6.2-1),式中：,T,为两同频正弦波的周期，,T,为两正弦波过零点的间隔。,一、直接比较法,7,若显示器水平扫描线性度好，可将线段AB写为线段,AB,K,(,t,B,t,A,)，线段,AC,K,(,t,C,t,A,)，,其中,K,为比例常数，则式(6.2-2)改写为,360,0,（,AB,/,A,C）,当测量得到波形过零点之间的长度,AB,和,AC，,即可由上,式计算出相位差,第六章 相位差测量,一、直接比较法,8,设:,则得：,(6.2-4),式中 分别为光点沿垂直及水平方向的最大位移。由上式第二式得 ，并代入第一式得:,（6.2-5）,第六章 相位差测量,二、椭圆法（李沙育图形法）,11,上式是一个广义的椭圆方程，其椭圆图形如下图。令,求出椭圆与垂直、水平轴的交点，分别为:,（6.2-6）,图6.22 椭圆法测量相位差,第六章 相位差测量,二、椭圆法（李沙育图形法）,12,解算得相位差,这种方法有缺点：,1、当 (,n,为整数)时，,X,0,靠近,X,m,，而,Y,0,靠近,Y,m,，难以把它们读准。,2、这时的,X,0,和,Y,0,的值对,的变化很不敏感，测量误差就会增大。,应用椭圆的长短轴之比关系计算,可以减小这种情况所引起的测量误差。,设椭圆的长轴为A，短轴为B，可以证明相位差,=2arctg,（,B/A,）(6.2-8),在示波器的荧光屏上测量出椭圆长轴,A,和短轴,B,，由上式就可算出相位差。,（6.2-7）,第六章 相位差测量,二、椭圆法（李沙育图形法）,13,需要指出：Y、X通道的相频特性一般不会完全一,样，会引起附加相位差（又称系统的固有相位差）。,为消除系统固有误差的影响，通常需校正两个通道,的相位差。,图6.25 校正系统固有相位差,第六章 相位差测量,U1,优点：一台示波器即可解决问题，不需要其他的专用设备。但这种测量相位差的方法的误差较大，测量操作也不方便。,14,6.3 相位差转换成时间间隔进行测量,原理：,将信号周期,T,和信号过零点的时间差,T,变换,为电压和脉冲宽度，并测量出,T,和,T,，根据,360,0,（,AB,/,AC,），可得到相位差,重点介绍：,模拟直读式相位计,数字式相位计,第六章 相位差测量,15,一、模拟直读式相位计,两路同频正弦波,u,1,、,u,2,经各自的脉冲形成电路得到两组窄脉冲即,u,c,和,u,d,。,将,u,c,，,u,d,接到双稳态触发器的两个触发输入端。,u,d,使它翻转成为,Q,=“0”，,i,=,I,m,，电位为,E,u,c,使它翻转成为,Q,非“0”，电位近似为0，,i,0。,图6.3-1 模拟直读相位计原理框图与各点波形,第六章 相位差测量,16,这样的过程反复进行。双稳态电路 输出电压及电流,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,。而平均电流为：,（6.3-1）,由,360,0,（,AB,/,AC,）式，得：,（6.3-2）,优点：电路简单，操作方便。,缺点：读数是测量时间内相位差的平均值，不能测出,“瞬时”相位差，误差比较大，约为,1-3%。,第六章 相位差测量,一、模拟直读式相位计,17,二、数字式相位差计,原理：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,，根据式,360,0,（,AB,/,AC,）换算为相位差。,第六章 相位差测量,图6.3-2 数字式相位差计原理波形图,360,0,(,t,B,-,t,A,)/(,t,C,-,t,A,)=360,0,(,T,/,T,),（6.3-3）,（6.3-4）,18,上面的原理理论上可行，但具体实现很复杂，操作也不方便。因为它需要两个时间闸门形成电路，两个计数显示电路，同时，再读得,n,和,N,后还要经 换算为相位差，不能直读。,第六章 相位差测量,二、数字式相位差计,19,为使电路简单、测量操作方便，一般取,式中b为整数。将上式代入 得,（6.36）,再将上式代入式,得,（6.37）,由上式可看出，数值,n,就代表相位差，b的变化只,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值。,第六章 相位差测量,（6.35),二、数字式相位差计,20,只要使晶振标准频率满足 ，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，一,个计数显示电路。,这种相位差计可以测量两个信号的“瞬时”相位差，测量迅,速，读数直观清晰。,图6.33 电子计数式相位差计框图,第六章 相位差测量,尖脉冲,闸门信号T,二、数字式相位差计,21,误差:与计数器测周期或测时间间隔时相同,即：,标准频率误差,触发误差,量化误差,第六章 相位差测量,二、数字式相位差计,22,计数式相位计只能用于测量低频率信号相位差，而且要,求测量的精度越高，能测量的频率就越低。,因为要求测量精确度越高所使用的,f,c,应越高。,例如，若被测频率为1,MHz,，要求测量误差为,1时，即取,中b=1，则,目前还做不到对如此高的频率信号进行整形和计数。,第六章 相位差测量,二、数字式相位差计,23,再如，若某计数器最高计数频率为100,MHz,，要求测量误差为,1，其能测量的待测信号频率应小于300,KHz,，如果提高测量精确度，要求测量误差为0.,1，则该计数器能测量的最高待测信号频率仅为30,KHz,。,第六章 相位差测量,二、数字式相位差计,24,平均值相位计的工作原理:,在“瞬时”相位计的基础上，增加,了一个计数门而构成的。它比,电子计数式相位差计,多一个时,间闸门和闸门脉冲发生器。设计数值为A,第六章 相位差测量,图6.34 平均值相位计原理框图,由,U,D,U,E,可知,A,=,nK,因为,K,=,T,m,/,T,n,=,f,c,T,=360,o,T,/,T,则,A,=(,T,m,f,c,/360,o,),=,a,a,=,T,m,f,c,/360,o,若取,T,m,和,f,c,使,a,=10,g,(,g,为整数,),则,=,A,*10,g,(6.3,9,）,二、数字式相位差计,25,=A,10,g,表明，计数值,A,可直接用相位差表示，测量者可直接从仪器显示的计数值,A,读出被测两信号的相位差。,这种方法测量相位差实际上是被测信号,K,个周期内的平均相位差。,例如,f,c,=10,MHz,，取,T,m,=360，则,a,=10000,于是,=,A,10,-4,。,第六章 相位差测量,二、数字式相位差计,平均值相位计的工作原理:,26,用平均值相位差计测量相位差，不必调,f,c,去,跟踪被测信号频率，测量方便，量化误差也小。,与测量时间间隔相比，只多了一项,T,m,准确度,引起的误差，而,T,m,是由晶振分频得到，这项误差,很小，一般可以忽略。,数字式相位差计测相位差除了标准频率误,差，触发误差，量化误差之外，,还存在由于两个,通道的不一致性而引起的,附加误差,。,第六章 相位差测量,二、数字式相位差计,平均值相位计的工作原理:,27,为消除这一误差，可以采取校正措施：,1,o,在测量之前把待测两信号的任一信号（例如,u,1,）同时,加在相位计的两通道的输入端，显示的计数值,A,1,即系统两通,道间的固有相位差。,2,o,把待测的两信号分别加在两通道的输入端，显示计数,值,A,2,，则两信号的相位差为:,（6.3-10）,若从相位差计读得,A,2,和,A,1,，由上式可算出校正后待测信号的相位差。如果电路采用可逆计数器，上述修正过程可以自动进行。,第六章 相位差测量,二、数字式相位差计,平均值相位计的工作原理:,28,6.4 相位差转换为电压进行测量,原理：利用,非线性电子器件,把被测量信号的相位差转换为电压或电流的增量，由电压表或电流表指针在相位刻度表盘的位置，直接读出被测信号的相位差。,转换电路常称作为检相器或鉴相器，其电路形式有多种，这里介绍常用的两种。,第六章 相位差测量,29,一、差接式相位检波电路,下图（a）所示的鉴相电路应具有较严格的电路对称：两个二极管特性应完全一致，变压器中心抽头准确，一般取,R,1,=R,2,，C,1,=C,2,。,设输入信号为,u,1,=U,1m,sint，u,2,=U,2m,sin(t-),且,U,1m,U,2m,1V，,使两二极管工作在线性检波状态。还假设时间常数,R,1,C,1,、R,2,C,2,、R,3,C,3,都远大于被测信号的周期,T,。,（a）差接式相位检波电路,(b)电压矢量图,图6.41 差接式相位检波电路原理,第六章 相位差测量,F,30,1、当,u,AE,0 时，,D,1,导通。,u,AE,0时，二极管,D,2,导通，,u,EB,给,C,2,充电；,u,EB,R,c,。,第六章 相位差测量,6,.,5 零示法测量相位差,47,由于高精度的可调移相器难于制作，且刻度与频率有关，所以目前高、低频率范围测量两信号相位差很少应用零示法。但在微波领域，移相器容易进行精密校正。而且其他的微波相位计价格昂贵，所以多采用零示法测量相位差。,第六章 相位差测量,6.5 零示法测量相位差,48,6.6 测量范围的扩展,本章6.2-6.5讲述的几种测量相位差方法，大多只能在低频范围应用，有的还只能工作于固定频率。若要测量高频信号相位差，或在宽频率范围测量信号的相位差，可以用频率变换法把被测高频信号变换为低频或某一固定的信号进行测量。这样，测量信号相位差的频率范围扩大了，而且测试更为方便。,第六章 相位差测量,49,图6.6-1外差法扩展相位测量频率范围的原理框图,被测信号、分别加到混频器I和混频器II，与同一本地振荡信号混频，使其差频位于低频范围内，然后经放大后用低频相位计测量。,第六章 相位差测量,6.6 测量范围的扩展,50,定量分析 设,(6.6-1),混频二极管的伏安特性为,(6.6-2),式中,a,0,、,a,1,、,a,2,为常数。对于混频器I，混频器二极管上的电压,(6.6-3),第六章 相位差测量,6.6 测量范围的扩展,51,将式（6.6-3）代入式（6.6-2）得混频器I中电流,上式中只有最后一项产生差频电流 ，即,(6.6-4),对于混频器II，混频器二极管上的电压,(6.6-5),第六章 相位差测量,6.6 测量范围的扩展,52,将式（6.6-4）代入式（6.6-2）采用与上类似的推导过程得流经混频器II得差频电流：,(6.6-7),(6.6-6),设混频器I、II有相同的负载电阻R，因此两混频器输出的差频项分别为：,(6.6-8),第六章 相位差测量,6.6 测量范围的扩展,53,比较式（6.6-7）、（6.6-8）可知，两混频器输出的混频电压的相位差仍然为,，因此用低频相位差计所测得的值就是被测高频信号的相位差。,第六章 相位差测量,6.6 测量范围的扩展,54,使用外差法扩展量程时应注意：,1,0,当本机振荡频率与信号频率很接近时，要使电路各部分之间有良好的隔离，以防止它们之间以及两通道之间的相互影响。,2,0,这种扩展量程的方法当本振很小的变化时，变换为低频后会相对变化就很大。,因此对本机振荡频率稳定性要求高。由于目前晶振的频率稳定度不能做的很高，所以这种方法的测量范围还只能达数十兆赫。,第六章 相位差测量,6.6 测量范围的扩展,55,随着电子技术的发展，目前多采用取样技术和锁相技术相结合的方法使取样脉冲重复频率能自动跟踪被测频率，再把频率恒定的低频输出信号送至低频相位计进行测量。,第六章 相位差测量,6.6 测量范围的扩展,56,最近出现的新型电压和相位差测量装置即向量电压表就是基于这一思想制作的。它把1至1000,MHz,范围的待测信号电压变换为固定的低频，然后测其电压和相位差。电压测量自几微伏到1V范围而不必使用衰减器，电压比测量在70至80,dB,范围内误差仅为零点几分贝。相位差误差为,1,0,左右。本振在每个频段范围内能够自动的跟踪被测频率，使用非常方便。,第六章 相位差测量,6.6 测量范围的扩展,57,在微波领域与之类似的仪表是网络分析仪，它基本上是由扫频信号源和向量电压表组合而成，可以在示波管上作动态显示。,第六章 相位差测量,6.6 测量范围的扩展,58,第六章 思考题,1.列出常用的相位差测量方法?简述测量原理和特点。,2.用TTL器件设计数字式相位差测量原理电路图。,3.列出数字式相位差测量电路误差源。,4.简述应用可逆计数器消除两通道不一致引起误差的原理。,5.简述相位测量中扩大测量频率范围的原理。,6.利用数字信号处理的原理测量相位差的主要误差源？,第六章 相位差测量,59,