利用示波器計(jì)算相位差

所有的周期性信號(hào)都可以用幅度和相位來描述.我們在基本電路理論中都學(xué)到了這一點(diǎn)。你一定記得,當(dāng)信號(hào)通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí),必須計(jì)算它的相位變化。幸運(yùn)的是,你也可以用?示波器 使用幾種方法。

周期性電子波形的相位描述某一特定位置在某一時(shí)間點(diǎn)。 圖1 一些重要的相位點(diǎn):最大幅值,最小幅值,正和負(fù)均為零.波形的相位是周期性的,波形的一個(gè)完整的周期被定義為有360或2的相位弧度。

圖1 周期正弦波上的顯著相位點(diǎn)是峰值和零交叉點(diǎn)。

什么是?相位差? 它是兩個(gè)相位點(diǎn)之間的相位差異,通常在兩個(gè)不同的波形上具有相同頻率。通常,你會(huì)對信號(hào)通過電路、電纜、連接器或電路板跟蹤前后的相位差感興趣。具有前導(dǎo)相位的波形具有比其伙伴上相同相位點(diǎn)更早發(fā)生的特定相位點(diǎn)。例如,當(dāng)一個(gè)信號(hào)通過一個(gè)電容器時(shí),就是這樣的情況:輸出電流將使輸出電壓達(dá)到90度。相反,具有滯后相位的波形的相位點(diǎn)比其他成對波形的相位點(diǎn)出現(xiàn)得更晚。兩個(gè)信號(hào)如果是180度的不相,則被認(rèn)為是對立的。在相位上不同的信號(hào)被稱為相位正交.

采用延遲時(shí)間測量的相位差

在示波器上,通過尋找兩種波形與其周期之間的時(shí)滯來測量相位差。你可以使用示波器的光標(biāo)完成這個(gè)任務(wù),如 圖2 相對光標(biāo)測量兩個(gè)10兆赫正弦波最大值之間的時(shí)間差。屏幕右下角的光標(biāo)時(shí)間讀取顯示10n的延遲。周期也可以用游標(biāo)測量。相位差可以用方程確定:

Φ = t D /t P × 360 = 10 ns/100 ns × 360o = 36o

地點(diǎn): D 波形和T之間的延遲 P 是波形的周期。

圖2 利用示波器測量兩種波形上相同相位點(diǎn)之間的時(shí)滯

這項(xiàng)技術(shù)是模擬示波器測量的殘余。它的工作原理是數(shù)字示波器,但測量精度很大程度上取決于手動(dòng)放置的光標(biāo)。

相位參數(shù)

通過提供基于源波形延遲和周期的直接相位測量來簡化相位測量。您可以為每個(gè)波形選擇測量閾值和斜率。相位測量與前一節(jié)采用的方法相同,即使用插值器來確保測量的相位點(diǎn)的精確位置。使用示波器的內(nèi)置測量功能的優(yōu)點(diǎn)是,它刪除了光標(biāo)作為錯(cuò)誤源的位置。相位可以以度、弧度或周期百分比的單位讀取。 圖3 提供一個(gè)相位測量的例子.

圖3 用相位測量參數(shù):參數(shù)P1(左下)用統(tǒng)計(jì)顯示相位參數(shù)。

在屏幕圖像的左下角使用參數(shù)P1進(jìn)行相位測量。這個(gè)示波器進(jìn)行"所有實(shí)例"的測量,意味著在每次采集的屏幕上每一個(gè)周期都要測量相位。大量的相位測量支持測量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),如圖所示 圖3.測量統(tǒng)計(jì)顯示最新的測量、所有測量的平均值、遇到的最大值和最小值、標(biāo)準(zhǔn)偏差以及統(tǒng)計(jì)中包括的測量數(shù)量。關(guān)鍵的統(tǒng)計(jì)讀數(shù)是平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。平均值是所有測量結(jié)果的平均值.標(biāo)準(zhǔn)差是衡量測量中不確定性的一種手段.在本例中,平均值為36度。標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.747度。測量中的大部分不確定度是波形上垂直噪聲的函數(shù)。平均值通過平均測量值來減少噪音.降低示波器前端帶寬可以進(jìn)一步降低噪聲。

動(dòng)態(tài)相位測量

有時(shí)相位差并不是靜態(tài)的,你需要描述一個(gè)信號(hào)的相位變化--想想相位調(diào)制載波。這種類型的測量依賴于基于參數(shù)的定時(shí)測量的"所有實(shí)例"特征。測量了每一個(gè)周期的波形。此資料可使用?趨勢或跑道圖 .當(dāng)水平軸是測量事件時(shí),趨勢圖將所有測量值以波形連接在一起。另一方面,這條軌道則將測量值作為時(shí)間的函數(shù).這與源波形保持同步性。因此,如果其中一個(gè)波形被相位調(diào)制,你就可以得到一個(gè)瞬間相位的周期圖。 圖4 .

上線,C1,在 圖4 是一個(gè)10兆赫載波,相位調(diào)制(PM)由100千赫正弦波。在沒有調(diào)制的情況下,跟蹤C(jī)2(頂部第二個(gè))是10兆赫正弦。相位參數(shù)讀取兩個(gè)波形之間的相位差。測量的每一個(gè)周期的源波形的相位差被繪制在第三跟蹤從頂部(F1),作為相位參數(shù)的軌道,并顯示相差對時(shí)間。從本質(zhì)上說,這已經(jīng)對PM波形進(jìn)行了解調(diào)。

注意,除了打開測量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之外,示波器還顯示了相位參數(shù)的一個(gè)標(biāo)志性直方圖。這幅圖展示了一個(gè)微型版的相值直方圖。用手指著這個(gè)按鈕,點(diǎn)擊就會(huì)在底部的軌跡中顯示出全方位的相位差直方圖。直方圖將幅度范圍分解為用戶設(shè)置的"箱數(shù)"。"每一個(gè)容器內(nèi)的測量值(垂直比例尺)的數(shù)目與測量值(水平比例尺)的比例是繪制的。鞍形直方圖是典型的正弦信號(hào)。軌跡圖中的步驟和直方圖中的間隙是在源波形的每個(gè)周期中固定值的相位差值的結(jié)果。

圖4 動(dòng)態(tài)相位差測量利用參數(shù)軌跡函數(shù)(跟蹤F1),以顯示周期的周期變化,在相位差作為一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。

相位參數(shù)讀數(shù)的最小值和最大值提供了整個(gè)調(diào)制周期的相位偏移范圍。

其他相位測量技術(shù)

相位參數(shù)在時(shí)域內(nèi)測量相位,并依賴于檢測用戶設(shè)定的電壓閾值之間的波形變換。附加的垂直噪聲,從波形源和示波器本身,限制了這種測量的精度。你可以通過限制示波器的帶寬來提高信噪比水平,這就使得測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差值更小,從而使讀數(shù)更精確。通過多次測量和使用相位的平均值或平均值而不是瞬態(tài)值,進(jìn)一步提高了精度。

您也可以在頻率域上進(jìn)行相位測量,方法是在信號(hào)頻率下計(jì)算輸入的一個(gè)點(diǎn)離散傅立葉變換(DFT),并讀取FFT的相位。這是一種用于選擇性測量參數(shù)窄帶相位的技術(shù)。 圖5 介紹了利用相位參數(shù)測量相位差的方法,同時(shí)也給出了NBH的測量結(jié)果.在所獲得的記錄中,在參數(shù)游標(biāo)器之間的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上,在指定頻率讀取信號(hào)的相位。如果參數(shù)游標(biāo)處于默認(rèn)位置,則讀取記錄中第一點(diǎn)的相位。由于我們對兩個(gè)信號(hào)之間的相位差感興趣,所以需要兩個(gè)NBH測量。在…里面 圖5,我們分別測量了C1和C2波形在參數(shù)P-2和P-3。參數(shù)數(shù)學(xué)可以讓你得到P4中的相位差。我們看到NBH差為36,000度,相位參數(shù)為35,993度。注意,NBH測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯低于相位參數(shù)。這是因?yàn)樵?000周期采集長度下,NBH測量具有較窄的測量帶寬(105千赫)。記住,NBH是一個(gè)可選的參數(shù),將增加示波器的成本。

圖5 通過比較相位參數(shù)間的相位差測量結(jié)果,可以看出NBPH法性能稍好。

經(jīng)典相位測量-李薩朱斯圖案

對于那些曾經(jīng)使用模擬示波器的浪漫主義者來說,你可能還記得用一個(gè)經(jīng)典的利薩朱斯圖案來測量相位差。它可以通過在示波器的x-Y顯示器上交叉繪制兩個(gè)波形來測量。 圖6 .在這個(gè)圖中,1(C1)通道上的波形提供水平位移或X位移。通道2(C2)提供垂直偏轉(zhuǎn)。李薩約斯圖案通過X-Y平面的形狀表示相位差。直線表示0或180的相位差,圓表示90的相位差。通過測量最大垂直偏轉(zhuǎn)和零水平偏轉(zhuǎn)時(shí)的垂直偏轉(zhuǎn)來確定這些值之間的相位差。在…里面 圖6 ,光標(biāo)標(biāo)記這兩個(gè)地點(diǎn)的X-Y圖。

圖6 使用一個(gè)經(jīng)典的李薩朱斯顯示器,你可以測量兩個(gè)正弦波之間的相位差。

在X和Y元件波形上也會(huì)出現(xiàn)并追蹤光標(biāo)。第二通道描述符框中的光標(biāo)讀取顯示計(jì)算相位差所需的值。

Φ 2 – Φ 1 = ± sin ?1 (y x=0 /y 最大值 ) 對于位于象限I的橢圓的頂部

Φ 2 – Φ 1 = ± [180-sin ?1 (y x=0 /y 最大值 ) 對于位于象限二的橢圓的頂部

通過檢測雙通道軌跡來確定相位差的標(biāo)志.

在我們的例子中,y 最大值 價(jià)值是150V,Y X=0 是89.1,橢圓的頂部是在齊:

Φ 2 – Φ 1 = ± sin ?1 (89.1/150) = ± sin ?1 (0.594) =36.44o

在現(xiàn)代數(shù)字示波器上仍然可以使用李薩朱斯圖案。 圖6 .這種方法的準(zhǔn)確性取決于游標(biāo)的位置,但它產(chǎn)生了合理的結(jié)果,更大的藝術(shù)華麗。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供多種測量階段的技術(shù)。在時(shí)域直接測量支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)相的測量.基于頻域的nbf為靜態(tài)相位測量提供了更精確的結(jié)果,但需要可選的軟件。下一次需要進(jìn)行相位測量時(shí),請記住這些技術(shù)。