相频特性测量：方法与工具

所有的相位测量都是相对测量，所测物理量为相位差，即两个同频率信号初始相位的差。定义式为Δφ=（ωt+φ₂）-（ωt+φ₁）=φ₂-φ₁，其中φ₁为参考信号的初始相位，φ₂为被测信号的初始相位。

测量线性系统的相频特性时，常以被测电路输入端的信号作为参考信号，而输出端信号作为被测信号，这样测出的输入、输出信号相位差就是电路的相频特性。相频特性曲线，主要是指被测网络的相位和时延特性，相频特性测量同样可采用点频测量或扫频测量。本节主要讨论用于对单一频点上的网络时延特性和相位差进行相频特性测量的仪器。常见的点频相位测量仪器如：低频段的模拟式相位计、数字式相位计、高频段的矢量电压表等。扫频测量是时延和相位的动态测量，包括群时延测量和微分相位测量。最具代表性的典型测量仪器是矢量网络分析仪，将在后面进行详细讨论。

1.相位—电压式数字式相位计

数字式相位计有相位-时间变换型、相位-电压变换型两种。相位-时间变换型将两个信号的相位差转换成时间差，再用计数器测量该时间间隔；相位-电压变换型是将相位差转换成相应的电压值，然后用数字电压表完成测量。

相位-电压型相位计采用双稳态鉴相器的“过零时间法”实现相位差测量，即测量两个同频信号波形的同向过零点之间的时间间隔，并使之与被测信号周期相比，从而得到相位差值。图12-2所示为双稳态触发型鉴相器组成的相位-电压型相位计的原理图。

图12-2 相位-电压型相位计原理

电路先将u₁、u₂信号整形成为方波，再对方波微分产生过零尖脉冲，两路尖脉冲之间的时间间隔ΔT反映了相位差。把这两个尖脉冲分别加到双稳态触发器的R、S端，不同ΔT将导致触发器Q端晶体管的导通与截止时间也不相同，因此可得到宽为ΔT的脉冲。用Q端控制开关S₁、端控制开关S₂，则A端测输出的平均电压，其大小与ΔT、相位差Δφ之间的关系为

式中，T为u₁、u₂信号的周期；为对应于ΔT时的平均电压值；U_r为双积分ADC的参考电压值。由此可见，被测相位差与平均电压成正比。通过双积分式ADC，得到变换的输出数字量N正比于Δφ，就可以计算出相位差。(www.xing528.com)

2.相位-时间型数字式相位计

瞬时值型数字式相位计属于相位-时间变换型，它是在计数器测时的基础上实现相位差测量的。这种相位计的基本原理如图12-3所示：被比较的两个信号u₁、u₂加到两个输入通道，作为参考的信号u₁在通道1中，用作计数门的启动信号。u₁、u₂之间的相位差首先被处理成两个过零脉冲的时间间隔ΔT，其中由u₁产生的过零脉冲启动主计数门，使时标信号f_S进入计数门；由u₂产生的过零脉冲则负责关闭计数门，停止计数过程。

图12-3 相位—时间型数字式相位计

假设计数器显示的计数值为N，有N=ΔT/T_S，其中T_S为时标信号的周期（T_S=1/f_S）。因此，相位差的计算式为

式中，f_x、T_x分别是被测信号的频率和周期。由此可见，瞬时型数字式相位计的指示值与被测信号的频率f_x有关，而且测量结果是相位差的瞬时值。如果被测信号的频率不固定，需测出其频率值，测量时需要将两个通道的输入端并联，u₁或u₂可以任意加到某个通道上。仍然使用f_S作为时标，不同的是此时计数器应测量u₁、u₂的频率或周期：M=f_S/f_x=T_x/T_S。相位差的计算式由此变为

由于被测信号在传输过程中的干扰会直接影响计数门的开启和关闭时间，瞬时值型相位计的测量结果较不稳定。根据随机误差的分布特性，可以采用多次测量求平均的办法以提高测量精度。