测量相位差的方法与注意事项

1.双踪法测量相位差

利用示波器的多波形显示进行测量,是测量相位差的最直观、最简便的方法。利用双踪示波器测量相位差的具体方法是,将两个同频率被测信号u1(t)、u2(t)分别接入示波器的两个通道,示波器置双路显示方式,同步触发源信号选择两个被测信号之一(一般选其中幅度较大的一个),调节触发电平,使两个波形与水平扫描信号同步,调节水平、垂直两个方向上的位置和灵敏度,使两个被测信号波形在垂直方向上尺寸最大显示完整,在水平方向上显示1～2个周期左右,如图4.3.9所示。然后利用荧光屏上的坐标测出波形的一个周期在水平方向所占的长度xT,再测出两波形上对应点(如过零点、峰值点等)之间的水平距离x,即可计算相位差Δφ:

最后根据波形的超前滞后关系确定相位差的符号,从图4.3.9可以看到u2(t)滞后于u1(t),则Δφ=φ2-φ1为负,而Δφ=φ1-φ2为正。

由于相位是按周期性重复的,因而可用多种方法描述同一相位关系。例如,如果u1(t)超前u2(t)90°,也可以说u1(t)滞后u2(t)270°。这两种说法是一致的,但一般将相位差定在±180°范围之内,因此u1(t)超前u2(t)90°的说法比较常见。

2.椭圆法(Lissajous图形法)测量相位差

图4.3.9　双踪示波法测两信号相位差

从表4.3.1中的Lissajous图形可以看到,当加到示波器Y轴和X轴的两个正弦交流信号频率相等,但初相位不同时,所得到的Lissajous图形形状不同,可以是直线、正椭圆、斜椭圆等。根据这些图形,可以确定出加在示波器X、Y轴输入的两个频率相等的正弦交流信号之间的相位差。

图4.3.10　Lissajous图形法测相位差

图4.3.10显示出了Lissajous图形的形成过程和测相位差的原理。电压uy(t)=Um1 sin(ωt+φ)加在示波器的Y轴输入,ux(t)=Um2 sinωt加在示波器的X轴输入,它们的频率相等。调节示波器的“水平位移”和“垂直位移”旋钮使Lissajous图形的中心位于屏幕的中心,则从图中可以看出,当t=0时,uy|t=0=Um1 sinφ=y1(椭圆图形与纵轴的交点A到坐标原点的距离),而Um1=ym(Lissajous图形最高点B点到横轴的垂直距离),所以sinφ=,因此uy(t)的初相位,而ux(t)的初相为零,所以两个信号的相位差:

同理也可以推出:

所以,只要从Lissajous图形上读出距离y1和ym,或者x1和xm,代入式(4.3.5)和式(4.3.6)即能确定相位差φ。(www.xing528.com)

用Lissajous图形测量两个频率相同的正弦交流信号相位差的步骤如下:

(1)示波器置于X—Y工作方式;

(2)将被测信号u1和u2分别接到示波器的Y和X输入端,输入耦合方式选择交流方式。

(3)调节示波器使屏幕上显示稳定的图形(椭圆或直线)。

(4)调节示波器的灵敏度旋钮,使屏幕所显示的图形大小适当;调节位移旋钮,使图形处在屏幕中央。

(5)根据图形,确定u1和u2的相位差:图形为直线,则相位差为0°或180°;图形为正椭圆,则相位差为90°或270°;图形为斜椭圆,则相位差为

3.数字相位计测量相位差

目前广泛使用的数字相位计,利用计数法原理测量相位差,如图4.3.11所示。周期均为T,时间延迟为τ的两个被测信号u1、u2,分别进入过零电压比较器1和2,电压比较器在信号由负到正通过零点时分别产生脉冲信号,由这两个脉冲控制RS触发器的工作状态。同时,其中一路脉冲信号经过倍频系数为M的倍频器产生周期为Ts=T/M的高频脉冲,高频脉冲控制标准脉冲信号发生器产生周期为T/M的标准脉冲信号。

图4.3.11　计数法测量相位差原理

RS触发器在周期均为T但具有时延τ的两个脉冲信号控制下,输出一个脉冲宽度等于两个脉冲间时延τ的矩形波,用这个矩形波作为与门的门控信号,控制标准脉冲的个数,然后由计数器记录通过与门的标准脉冲数N,则两个被测信号之间的时间延迟

则两被测信号间的相位差Δφ为

M为倍频器的倍频系数,如果选择M为360或360×10n,则计数器的计数结果N可以方便地转换成相位差度数,经过译码显示电路显示测量结果。

由于受到电路工作速度的限制,计数法测量相位不能测量较高频率的信号,而且测量精度要求越高,所能测量的最高频率越低。