電子測(cè)量技術(shù)第06章

1、第6章相位差測(cè)量第章相位差測(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6.6測(cè)量范圍的擴(kuò)展測(cè)量范圍的擴(kuò)展小結(jié)小結(jié)習(xí)題習(xí)題6第6章相位差測(cè)量6.1概述概述正弦交流電的 “三要素”振幅、頻率和相位。以電壓為例，其函數(shù)關(guān)系為u=Um sin(t+0)(6.1-1)式中：Um為電壓的振幅；為角頻率；0為初相位。設(shè)=t+0，稱為瞬時(shí)相位，它隨時(shí)間改變，0是t=0時(shí)刻的瞬時(shí)相位值。第6章相位差測(cè)量u1=Um1 sin(1t+1)u2=Um

2、2 sin(2t+2) (6.1-2)它們的瞬時(shí)相位差為 =(1t+1)(2t+2) =(12)t+(12) (6.1-3)顯然，兩個(gè)角頻率不相等的正弦電壓(或電流)之間的瞬時(shí)相位差是時(shí)間t的函數(shù)，它隨時(shí)間改變而改變。當(dāng)兩正弦電壓的角頻率1=2=時(shí)，有=12 (6.1-4)兩個(gè)角頻率為1、2的正弦電壓分別為該相位差是常數(shù)，等于兩正弦量的初相之差。第6章相位差測(cè)量在研發(fā)工作中，經(jīng)常要研究諸如放大器、濾波器等各種器件的頻率特性，包括： 幅頻特性輸出、輸入信號(hào)間的幅度比隨頻率的變化關(guān)系；相頻特性輸出、輸入信號(hào)間的相位差隨頻率的變化關(guān)系。 尤其在圖像信號(hào)傳輸與處理、多元信號(hào)的相干接收等學(xué)科領(lǐng)域，研究網(wǎng)

3、絡(luò)(或系統(tǒng))的相頻特性顯得更為重要。第6章相位差測(cè)量相位差測(cè)量：是研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中必不可少的重要方面。測(cè)量相位差的方法： 用示波器測(cè)量； 把相位差轉(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； 把相位差轉(zhuǎn)換為電壓，先測(cè)量出電壓，再換算為相位差；與標(biāo)準(zhǔn)移相器進(jìn)行比較的比較法(零示法)等。 本章都加以介紹，重點(diǎn)討論把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔的測(cè)量方法。第6章相位差測(cè)量6.2用示波器測(cè)量相位差用示波器測(cè)量相位差應(yīng)用示波器測(cè)量兩個(gè)同頻正弦信號(hào)間的相位差的方法很多，本節(jié)僅介紹具有實(shí)用意義的兩種方法。6.2.1直接比較法直接比較法設(shè)電壓為u1(t)=Um1 sin(t+)u2(t)=Um2 sint(6

4、.2-1)為了敘述方便，設(shè)式(6.2-1)中u2(t)的初相位為零。第6章相位差測(cè)量將u1、u2分別接到雙蹤示波器的Y1通道和Y2通道，適當(dāng)調(diào)節(jié)掃描旋鈕和Y增益旋鈕，使熒光屏顯示出如圖6.2-1所示的上、下對(duì)稱的波形。圖6.2-1比較法測(cè)量相位差第6章相位差測(cè)量設(shè)u1過零點(diǎn)分別為A、C點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為tA、tC； u2過零點(diǎn)分別為B、D點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為tB、tD。u1過零點(diǎn)A比u2過零點(diǎn)B提前tBtA出現(xiàn)，所以u(píng)1超前u2的相位，即u1與u2的相位差為TTttttACAB360360式中，T為兩同頻正弦波的周期；T為兩正弦波過零點(diǎn)的時(shí)間差。(6.2-2)第6章相位差測(cè)量若示波器水平掃描的線性度

5、很好，則可將線段AB寫為ABk(tBtA)，線段ACk(tCtA)，其中k為比例常數(shù)，式(6.2-2)改寫為ACAB 360(6.2-3)量得波形過零點(diǎn)之間的長度AB和AC，即可由式(6.2-3)計(jì)算出相位差。這種測(cè)量方法存在誤差第6章相位差測(cè)量測(cè)量誤差主要來源于： (1) 示波器水平掃描的非線性，即掃描用的鋸齒電壓呈非線性。(2) 雙蹤示波器兩垂直通道Y1、Y2一致性差而引入了附加的相位差。如，u1經(jīng)Y1通道傳輸后有15相位滯后，u2經(jīng)Y2通道傳輸后有12相位滯后，那么引入的附加相位差 = 15 12=3(3) 人眼讀數(shù)誤差，這是三項(xiàng)誤差中最大的。直接比較法的測(cè)量精確度不高，一般為(2 5)

6、。第6章相位差測(cè)量應(yīng)當(dāng)說明，在應(yīng)用直接比較法測(cè)量相位差時(shí)盡量使用雙蹤示波器，兩個(gè)正弦波形同時(shí)顯示在熒光屏上，觀測(cè)兩波形過零點(diǎn)時(shí)間及周期方便且較準(zhǔn)確。如果僅有普通單蹤示波器，則可作如下測(cè)量：先把u1接到Y(jié)通道輸入端，顯示出上、下對(duì)稱的u1波形，記下波形過零點(diǎn)A、C的位置；然后換接u2于Y通道，顯示出上、下對(duì)稱的u2波形，注意顯示u2波形時(shí)的橫坐標(biāo)線應(yīng)與顯示u1波形時(shí)的橫坐標(biāo)線在同一條直線上，記下u2波形過零點(diǎn)B、D的位置，由式(6.2-3)計(jì)算出相位差。第6章相位差測(cè)量用單蹤示波器測(cè)量兩正弦量的相位差時(shí)應(yīng)采用外同步，通常把u1(或u2)接到外同步輸入端，使兩次測(cè)量(分別顯示u1和u2波形)都用u

7、1(或u2)同步。因單蹤示波器測(cè)量兩正弦量相位差時(shí)分別顯示u1、u2波形，則引入誤差之處包括：1. 如掃描因數(shù)和起點(diǎn)位置不同，2. 兩次波形顯示過零點(diǎn)需記錄和測(cè)量。所以，單蹤示波器測(cè)量相位差比用雙蹤示波器時(shí)誤差還要大。第6章相位差測(cè)量6.2.2橢圓法橢圓法在5.6節(jié)（P168）講述了李沙育圖形法測(cè)量信號(hào)頻率，若頻率相同的兩個(gè)正弦量信號(hào)分別接到示波器的X通道與Y通道，則一般情況下示波器熒光屏上顯示的李沙育圖形為橢圓，而橢圓的形狀和兩信號(hào)的相位差有關(guān)。 那么，基于上述橢圓來測(cè)量相位差的方法稱為橢圓法。第6章相位差測(cè)量圖6.2-2橢圓法測(cè)量相位差一般將示波器的X、Y兩個(gè)通道可看做線性系統(tǒng)，所以熒光屏

8、上光點(diǎn)的位移量正比于輸入信號(hào)的瞬時(shí)值。如圖6.2-2所示，u1加于Y通道，u2加于X通道，則光點(diǎn)沿垂直及水平的瞬時(shí)位移量y和x分別為第6章相位差測(cè)量y=KY u1x=KX u2(6.2-4)式中，KY、KX為比例常數(shù)。設(shè)u1、u2分別為u1=Um1 sin(t+)u2=Um2 sint(6.2-5)將式(6.2-5)代入式(6.2-4)得y=KY Um1 sin(t+)=Ym sin(t+) =Ym sint cos+Ym cost sin(6.2-6(a) x=KX Um2 sint=Xm sint (6.2-6(b)第6章相位差測(cè)量式中，Ym、Xm分別為光點(diǎn)沿垂直及水平方向的最大位移。由式

9、(6.2-6(b)得sint=x/Xm，代入式(6.2-6(a)得 (6.2-7)式(6.2-7)是一個(gè)廣義的橢圓方程，其橢圓圖形如圖6.2-3所示。那么分別令x=0，以及y=0，求出橢圓與垂直、水平軸的交點(diǎn)y0、x0等于： y0=Ym sin x0=Xm sin (6.2-8)sincos(22mmmxXxXYy第6章相位差測(cè)量圖6.2-3橢圓圖形第6章相位差測(cè)量由式(6.2-8)可解得相位差為m00arcsinarcsinXxYym(6.2-9)當(dāng)(2n1)90(n為整數(shù))時(shí)，x0靠近Xm，而y0靠近Ym，難以把它們讀準(zhǔn)，而且這時(shí)y0和x0值對(duì)變化也很不敏感，所以這時(shí)測(cè)量誤差就會(huì)增大。 但

10、是，應(yīng)用橢圓的長、短軸之比關(guān)系計(jì)算就可有效地減小這種情況引起的測(cè)量誤差。設(shè)橢圓的長軸為A，短軸為B，可以證明相位差為第6章相位差測(cè)量ABarctan2(6.2-10)如果在示波器熒光屏上配置一個(gè)如圖6.2-4所示的刻度板，則測(cè)量時(shí)讀取橢圓長、短軸刻度，由式(6.2-10)可算出。圖6.2-4相位差刻度板第6章相位差測(cè)量還應(yīng)說明的是，示波器Y通道、X通道的相頻特性一般不是完全一樣的，這會(huì)引起附加相位差，又稱系統(tǒng)的固有相位差。 為消除系統(tǒng)固有相位差的影響，通常在一個(gè)通道前接一移相器(如Y通道前)，在測(cè)量前先把同一個(gè)信號(hào)(如u1(t)接入X通道和經(jīng)移相器接入Y通道，如圖6.2-5(a)所示，調(diào)節(jié)移相

11、器使熒光屏上顯示的圖形為一條直線。然后再進(jìn)行正常測(cè)量，如圖6.2-5(b)所示。第6章相位差測(cè)量圖6.2-5校正系統(tǒng)的固有相位差第6章相位差測(cè)量第6章相位差測(cè)量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)量式(6.2-2)中，T為兩同頻正弦波的周期，T為兩正弦波過零點(diǎn)的時(shí)間差，它們都是時(shí)間間隔。6.2節(jié)中通過刻度尺測(cè)量出示波器熒光屏上顯示出的T、T，然后代入式(6.2-2)計(jì)算出相位差。若通過電子技術(shù)設(shè)法測(cè)量出T與T，同樣代入式(6.2-2)也可得到相位差。因此，我們介紹兩種實(shí)用的相位計(jì)模擬模擬式直讀相位計(jì)式直讀相位計(jì)和數(shù)字式相位計(jì)數(shù)字式相位計(jì)。TTttttACAB360360

12、第6章相位差測(cè)量6.3.1 模擬式直讀相位計(jì)模擬式直讀相位計(jì)模擬式直讀相位計(jì)的原理框圖各點(diǎn)的波形圖 兩路同頻正弦波u1和u2經(jīng)各自的脈沖形成電路得到兩組窄脈沖uc和ud。窄脈沖出現(xiàn)于正弦波電壓從負(fù)到正通過零的瞬間(or從正到負(fù)通過零的瞬間)。第6章相位差測(cè)量將uc、ud接到雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)觸發(fā)輸入端。uc使該觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)成為上面管導(dǎo)通(i=Im)、下面管截止(e點(diǎn)電位為+E)的狀態(tài)；ud使它翻轉(zhuǎn)成為下面管導(dǎo)通(e點(diǎn)電位近似為零)、上面管截止(i=0)的狀態(tài)。這樣的過程反復(fù)進(jìn)行。雙穩(wěn)態(tài)電路下面管輸出電壓ue和上面管流過的直流i都是矩形脈沖，脈沖寬度為T，重復(fù)周期為T，因此它們的平均值正比于相位差

13、。平均電流為m0ITTI (6.3-1)第6章相位差測(cè)量聯(lián)系式(6.2-2)，得mII0 360 (6.3-2)由于管子的導(dǎo)通電流Im是固定的，因此相位差與平均電流I0成正比。用一電流表串聯(lián)接入雙穩(wěn)態(tài)上面管子集電極回路，測(cè)出其平均值I0，代入式(6.3-2)即可求得。一般表頭面盤直接用相位差刻度，其刻度是根據(jù)式(6.3-2)線性關(guān)系刻出的。測(cè)量時(shí)由表針指示即可直接讀出兩信號(hào)的相位差。 缺點(diǎn)：測(cè)量的是長時(shí)間內(nèi)相位差的平均值，不能測(cè)量相位差的瞬時(shí)值。第6章相位差測(cè)量6.3.2數(shù)字式相位計(jì)數(shù)字式相位計(jì)數(shù)字式相位計(jì)又稱電子計(jì)數(shù)式相位計(jì)，這種方法就是應(yīng)用電子計(jì)數(shù)器來測(cè)量:(1)周期T，(2)兩同頻正弦波

14、過零點(diǎn)時(shí)間差T，然后據(jù)式(6.2-2)換算為相位差。第6章相位差測(cè)量圖6.3-2數(shù)字式相位計(jì)原理波形圖基本原理：右圖中，同頻正弦信號(hào)u1、u2；uc、ud分別為u1、u2經(jīng)各自的脈沖形成電路輸出的尖脈沖信號(hào)。兩路尖脈沖都出現(xiàn)于正弦波電壓從負(fù)到正過零點(diǎn)的瞬時(shí)。第6章相位差測(cè)量ue：uc尖脈沖信號(hào)經(jīng)觸發(fā)電路形成的寬度等于待測(cè)兩信號(hào)周期T的閘門信號(hào)，用來控制時(shí)間閘門；uf：標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖(晶振輸出經(jīng)整形形成的窄脈沖，頻率為fc)在閘門時(shí)間控制信號(hào)ue的控制下通過閘門加于計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的脈沖，設(shè)計(jì)數(shù)值為N；ug：用uc、ud觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器形成的另一個(gè)閘門信號(hào)，用來反映u1、u2過零點(diǎn)時(shí)間差寬度為T的；

15、uk：fc脈沖在ug閘門控制下計(jì)數(shù)的脈沖，其計(jì)數(shù)值為n。第6章相位差測(cè)量由圖6.3-2所示的波形圖可見：TnTNfc(6.3-3)將式(6.3-3)代入式(6.2-2)，得被測(cè)兩信號(hào)相位差為NnTT 360 360 (6.3-4)我們從理論上驗(yàn)證了數(shù)字式相位計(jì)的原理，但具體電路實(shí)現(xiàn)的構(gòu)成儀器是復(fù)雜的：它需要兩個(gè)閘門時(shí)間形成電路，兩個(gè)計(jì)數(shù)顯示電路。第6章相位差測(cè)量為使電路簡單，測(cè)量操作簡便，一般取fc=360 10b f (6.3-5)式中，b為整數(shù)。將式(6.3-5)代入式(6.3-3)，得 N=fcT=360 10b f T=360 10b(6.3-6)再將式(6.3-6)代入式(6.3-4

16、)，得=n 10b (6.3-7)可以看出，數(shù)值n就代表相位差，只是小數(shù)點(diǎn)位置不同。它可通過譯碼顯示電路以數(shù)字顯示，并自動(dòng)指示小數(shù)點(diǎn)位置，方便直接讀出相位差。第6章相位差測(cè)量只要使晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率滿足式(6.3-5)，就不必測(cè)量待測(cè)信號(hào)周期T的數(shù)值，從而可節(jié)省一個(gè)閘門形成電路和一個(gè)計(jì)數(shù)顯示電路。 實(shí)用的電子計(jì)數(shù)式直讀相位計(jì)的框圖如下圖所示。第6章相位差測(cè)量 待測(cè)信號(hào)u1(t)和u2(t)經(jīng)脈沖形成電路變換為尖脈沖信號(hào)，去控制雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路產(chǎn)生寬度等于T的閘門信號(hào)以控制時(shí)間閘門的啟、閉。 晶振產(chǎn)生的頻率fc滿足式(6.3-5)的正弦信號(hào)，經(jīng)脈沖形成電路變換成頻率為fc的窄脈沖，在時(shí)間閘門開啟時(shí)通過閘

17、門加到計(jì)數(shù)器，得計(jì)數(shù)值n，再經(jīng)譯碼，顯示出被測(cè)兩信號(hào)的相位差。 圖6.3-3中a、b、c、d、g、h各點(diǎn)的波形如圖6.3-2中相應(yīng)各圖。 優(yōu)點(diǎn)：這種相位計(jì)可以測(cè)量兩個(gè)信號(hào)的“瞬時(shí)”相位差，測(cè)量迅速，讀數(shù)直觀、清晰。第6章相位差測(cè)量計(jì)數(shù)式相位計(jì)測(cè)量誤差：計(jì)數(shù)式相位計(jì)測(cè)量誤差：來源：與計(jì)數(shù)器測(cè)周期或測(cè)時(shí)間間隔相同，主要有： 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差fc/fc 觸發(fā)誤差Un/Um 量化誤差1/n。為減小測(cè)量誤差，應(yīng)提高fc的精確度、被測(cè)信號(hào)的信噪比，增大計(jì)數(shù)器讀數(shù)n。2第6章相位差測(cè)量要增大n，必須提高fc。例如， 取fc=360f時(shí)，則=n，因?yàn)榱炕`差n=1，所以相位誤差為=1。 如果取fc=3600f，則

18、=0.1n，與量化誤差對(duì)應(yīng)的相位誤差為=0.1。一般情況下，有 =(10b)第6章相位差測(cè)量注意：當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率改變時(shí)必須相應(yīng)改變晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率使之滿足式(6.3-5)。由于fc可調(diào)，所以其頻率準(zhǔn)確度難以做高，這不利于測(cè)量誤差的減小。 因此，計(jì)數(shù)式相位計(jì)只能用于測(cè)量低頻率信號(hào)相位差只能用于測(cè)量低頻率信號(hào)相位差，而且要求測(cè)量的精確度越高，能測(cè)量的頻率越低。這是因?yàn)橐鬁y(cè)量精確度越高，所使用的fc應(yīng)越高。例如，若被測(cè)頻率為1 MHz，要求測(cè)量誤差為0.1(=0.1n)，即取式(6.3-5)中b=1，取fc=360101 MHz=3600 MHz。目前還做不到對(duì)如此高的頻率信號(hào)進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)。第6章相

19、位差測(cè)量例如： 若某計(jì)數(shù)器最高計(jì)數(shù)頻率為100 MHz，要求測(cè)量誤差為1，則其能測(cè)量的待測(cè)信號(hào)頻率應(yīng)小于300 kHz； 如果提高測(cè)量精確度，要求測(cè)量誤差為0.1，則該計(jì)數(shù)器能測(cè)量的最高待測(cè)信號(hào)頻率僅為30 kHz。此種相位計(jì)缺點(diǎn)：被測(cè)信號(hào)頻率改變時(shí)為滿足式(6.2-5)需跟蹤調(diào)整fc，以及測(cè)量頻率低。第6章相位差測(cè)量以上討論的數(shù)字式相位計(jì)稱做“瞬時(shí)”相位計(jì)，它可以測(cè)量兩個(gè)同頻正弦信號(hào)的瞬時(shí)相位，即它可以測(cè)出兩同頻正弦信號(hào)每一周期的相位差。這里“瞬時(shí)”相位差并非式(6.1-3)所表述的內(nèi)涵。 =(12)t+(12) (6.1-3) 在實(shí)際中需要對(duì)較高頻率的待測(cè)信號(hào)測(cè)量相位差，可以采用外差法：把

20、被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為某一固定的低頻信號(hào)，然后進(jìn)行測(cè)量。這屬于量程擴(kuò)展的問題。第6章相位差測(cè)量平均值相位計(jì)：平均值相位計(jì)： 下面討論在“瞬時(shí)”相位計(jì)的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)計(jì)數(shù)門而構(gòu)成的平均值相位計(jì)的工作原理。 如圖6.3-4所示，平均值相位計(jì)比圖6.3-3多一個(gè)時(shí)間閘門和閘門脈沖發(fā)生器。第6章相位差測(cè)量在開啟時(shí)間T內(nèi)，晶振產(chǎn)生頻率為fc的標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖uB，通過該時(shí)間閘門形成uC加到時(shí)間閘門。設(shè)在被測(cè)信號(hào)的每一個(gè)周期內(nèi)(即在T內(nèi))通過閘門的標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖為n個(gè)。其工作過程為：被測(cè)信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成寬度為T的閘門脈沖uA加到時(shí)間閘門的輸入端，使它開啟。第6章相位差測(cè)量閘門脈沖發(fā)生器是由晶振、分頻器、門

21、控電路組成的，它送出寬度為Tm的門控信號(hào)uD，Tm應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)大于被測(cè)信號(hào)的最大周期Tmax。一般取Tm=KT(K1)(6.3-8)式中，K為比例系數(shù)；T為信號(hào)周期。 在Tm內(nèi)通過閘門的標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖又通過閘門送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，如uE。設(shè)計(jì)數(shù)值為A，由圖6.3-4中uD、uE可知:A=Kn第6章相位差測(cè)量考慮K=Tm/T， n=fc T，=360T/T，所以fTAm 360c式中，=(Tm fc)/360，為比例系數(shù)。若選取Tm和fc，使=10g(g為整數(shù))，則=A 10g(6.3-9)式(6.3-9)表明，計(jì)數(shù)值A(chǔ)可直接用相位差表示，測(cè)量者可直接從儀器顯示的計(jì)數(shù)值A(chǔ)讀出被測(cè)兩信號(hào)的相位差。第6章相位差

22、測(cè)量采用這種方法測(cè)量的相位差是被測(cè)信號(hào)K個(gè)周期（KT）內(nèi)的平均相位差。例如：若fc=10 MHz，取Tm=0.36，則=10000，于是，有=A 104。用平均值相位計(jì)測(cè)量相位差，不必調(diào)fc去跟蹤被測(cè)信號(hào)頻率，測(cè)量方便，量化誤差也小，與測(cè)量時(shí)間間隔相比，只多了一項(xiàng)Tm準(zhǔn)確度引起的誤差（Tm是由晶振分頻得到的，誤差很小可以忽略）。第6章相位差測(cè)量其它形式誤差其它形式誤差： 數(shù)字式相位計(jì)測(cè)相位差除了存在前面提到的標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差、觸發(fā)誤差、量化誤差之外，還存在由于兩個(gè)通道的不一致性而引入的附加誤差。 為消除這一誤差，可以采取校正措施，在測(cè)量之前把待測(cè)兩信號(hào)的任一信號(hào)(例如u1)同時(shí)加在相位計(jì)的兩通道的

23、輸入端，顯示的計(jì)數(shù)值A(chǔ)1即系統(tǒng)兩通道間的固有相位差；然后把待測(cè)的兩信號(hào)分別加在兩通道的輸入端，顯示計(jì)數(shù)值A(chǔ)2，則兩信號(hào)的相位差為gAAAA10)(1212(6.3-10)第6章相位差測(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)量原理原理：利用非線性器件把被測(cè)信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換為電壓或電流的增量，在電壓表或電流表表盤刻上相位刻度，可直讀被測(cè)信號(hào)的相位差。 轉(zhuǎn)換電路常稱做檢相器或鑒相器，主要介紹以下兩種。第6章相位差測(cè)量圖6.4-1差接式相位檢波電路6.4.1差接式相位檢波電路差接式相位檢波電路圖6.4-1(a)所示的鑒相電路應(yīng)具有較嚴(yán)格的電路對(duì)稱形式：兩個(gè)二極管特性應(yīng)完全一致，變壓器中

24、心抽頭準(zhǔn)確，一般取R1=R2，C1=C2。(b)第6章相位差測(cè)量工作原理工作原理： 設(shè)輸入信號(hào)為u1=U1m sint，u2=U2m sin(t)，且U1mU2m1 V，使兩個(gè)二極管工作在線性檢波狀態(tài)。假設(shè)時(shí)間常數(shù)R1C1、R2C2、R3C3都遠(yuǎn)大于被測(cè)信號(hào)的周期T。由圖6.4-1(a)可以看出： 當(dāng)uAE0時(shí)，VD1導(dǎo)通，uAE對(duì)C1充電，由于二極管正向?qū)〞r(shí)電阻很小，因此充電時(shí)常數(shù)很小，充電速度較快； 當(dāng)uAE0時(shí)，二極管VD2導(dǎo)通，uEB給C2充電； 當(dāng)uEB0時(shí)，C2放電，充到電容C2上的電壓近似為E、B兩點(diǎn)之間電壓uEB的振幅UEBm。又因?yàn)閡AE=u1(t)+u2(t)，uEB=u

25、1(t)u2(t)，由圖6.4-1(b)錯(cuò)誤！所示的相量圖得cos2m2m12m22m1mUUUUUAE211m2m21m2mm1cos21UUUUU(6.4-1)第6章相位差測(cè)量cos2m2m12m22m1mUUUUUEB211m2m21m2mm1cos21UUUUU(6.4-2)由于(U2m/U1m)1，因而(2U2m/U1m) cosRc。第6章相位差測(cè)量6.6測(cè)量范圍的擴(kuò)展測(cè)量范圍的擴(kuò)展本章6.2節(jié)6.5節(jié)講述的幾種測(cè)量相位差的方法大多只能在低頻范圍應(yīng)用，有的還只能工作于固定頻率。如果要測(cè)量高頻信號(hào)相位差，或在寬頻率范圍測(cè)量信號(hào)的相位差，則可以用頻率變換法把被測(cè)高頻信號(hào)變換為低頻或某一

26、固定頻率的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。這樣，測(cè)量信號(hào)相位差的頻率范圍擴(kuò)大了，而且測(cè)試更為方便。第6章相位差測(cè)量圖6.6-1為外差法擴(kuò)展相位差測(cè)量頻率范圍的原理框圖。被測(cè)信號(hào)u1(t)和u2(t)分別加到兩混頻器和，與同一本地振蕩信號(hào)混頻，使其差頻位于低頻范圍內(nèi)，然后經(jīng)放大后用低頻相位計(jì)測(cè)量。下面作簡要的定量分析。設(shè)u1=U1m sintu2=U2m sin(t)uL=ULm sin(Lt)(6.6-1)第6章相位差測(cè)量圖6.6-1外差法擴(kuò)展相位差測(cè)量頻率范圍的原理框圖第6章相位差測(cè)量混頻二極管的伏安特性為i=0+1u+2u2(6.6-2)式中，0、1、2為常數(shù)。對(duì)于混頻器，混頻器二極管上的電壓為u=u1+u

27、L=U1m sint+ULm sin(Lt) (6.6-3)將式(6.6-3)代入式(6.6-2)得混頻器中電流為 i1=0+1U1m sint+ULm sin(Lt) +2U1m sint+ULm sin(Lt)2 =0+1U1m sint+1ULm sin(Lt) +2U21m sin2t+2U2Lm sin2(Lt) +22U1m ULm sint sin(Lt)第6章相位差測(cè)量上式中只有最后一項(xiàng)產(chǎn)生差頻電流iC，即iC=2U1mULm cos(L)t(6.6-4)對(duì)于混頻器，混頻器二極管上的電壓為u=u2+uL=U2m sin(t)+ULm sin(Lt)(6.6-5)將式(6.6-5

28、)代入式(6.6-2)，采用與上述類似的推導(dǎo)過程得流經(jīng)混頻器的差頻電流為iC=2U2mULm cos(L)t+(6.6-6)第6章相位差測(cè)量設(shè)混頻器、有相同的負(fù)載電阻R，因此兩混頻器輸出電壓的差頻項(xiàng)分別為uC=RiC=2RU1mULm cos(L)t (6.6-7)uC=RiC=2RU2mULm cos(L)t+(6.6-8)比較式(6.6-7)、式(6.6-8)可知，兩混頻器輸出的差頻電壓的相位差仍然為，因此用低頻相位計(jì)所測(cè)得的值就是被測(cè)高頻信號(hào)的相位差。第6章相位差測(cè)量使用外差法擴(kuò)展量程時(shí)應(yīng)注意到，由于本振頻率與信號(hào)頻率很接近，因此防止它們之間以及兩通道之間的相互影響是實(shí)際中的重要問題，應(yīng)

29、使電路各部分之間有良好的隔離。另外，此法擴(kuò)展量程，對(duì)本振的頻穩(wěn)度要求高，這是因?yàn)楸菊竦南鄬?duì)變化很小，當(dāng)變換為低頻后其相對(duì)變化就很大。目前晶振的頻穩(wěn)度還不能做得很高，所以這種方法的測(cè)量范圍還只能達(dá)數(shù)十兆赫茲。第6章相位差測(cè)量最近出現(xiàn)的新型電壓和相位差測(cè)量裝置(即相量電壓表)就是基于這一思想制作的。該裝置把11000 MHz范圍的待測(cè)信號(hào)電壓變換為固定的低頻，然后測(cè)量其電壓和相位差。電壓測(cè)量在幾微伏到1 V范圍內(nèi)不必使用衰減器，電壓比測(cè)量在7080 dB范圍內(nèi)誤差僅零點(diǎn)幾分貝。相位差測(cè)量誤差為1左右。本振在每個(gè)頻段范圍內(nèi)能自動(dòng)跟蹤被測(cè)頻率，使用非常方便。圖6.6-2是一種相量電壓表的原理框圖。第6

30、章相位差測(cè)量圖6.6-2相量電壓表的原理框圖第6章相位差測(cè)量國產(chǎn)DT-1型相量電壓表的部分技術(shù)指標(biāo)如下：(1) 頻率范圍：11000 MHz，分12個(gè)頻段。(2) 電壓測(cè)量范圍：第一通道500 V1 V，第二通道100 V1 V。(3) 相位差量程：180180。(4) 輸入電阻、電容：100 k，3 pF。(5) 電壓測(cè)量精確度：110 MHz時(shí)5%，100300 MHz時(shí)10%，3001000 MHz時(shí)20%。(6) 相位測(cè)量精確度：1.5。在微波領(lǐng)域，與之類似的儀表是網(wǎng)絡(luò)分析儀，它基本上是由掃頻信號(hào)源和相量電壓表組合而成的，可以在示波管上動(dòng)態(tài)顯示。第6章相位差測(cè)量小結(jié)小結(jié)(1) 測(cè)量同頻兩信號(hào)間的相位差在研究網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)頻率特性中具有重要意義。 常用的測(cè)量相位差的方法有：用示波器測(cè)量，轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔、電壓測(cè)量，零示法測(cè)量等。(2) 兩種實(shí)用的示波器測(cè)量相位差的方法為：直接比較法，即將