利用示波器计算相位差

所有的周期性信号都可以用幅度和相位来描述.我们在基本电路理论中都学到了这一点。你一定记得,当信号通过一个网络时,必须计算它的相位变化。幸运的是,你也可以用 示波器 使用几种方法。

周期性电子波形的相位描述某一特定位置在某一时间点。 图1 一些重要的相位点:最大幅值,最小幅值,正和负均为零.波形的相位是周期性的,波形的一个完整的周期被定义为有360或2的相位弧度。

图1 周期正弦波上的显著相位点是峰值和零交叉点。

什么是 相位差? 它是两个相位点之间的相位差异,通常在两个不同的波形上具有相同频率。通常,你会对信号通过电路、电缆、连接器或电路板跟踪前后的相位差感兴趣。具有前导相位的波形具有比其伙伴上相同相位点更早发生的特定相位点。例如,当一个信号通过一个电容器时,就是这样的情况:输出电流将使输出电压达到90度。相反,具有滞后相位的波形的相位点比其他成对波形的相位点出现得更晚。两个信号如果是180度的不相,则被认为是对立的。在相位上不同的信号被称为相位正交.

采用延迟时间测量的相位差

在示波器上,通过寻找两种波形与其周期之间的时滞来测量相位差。你可以使用示波器的光标完成这个任务,如 图2 相对光标测量两个10兆赫正弦波最大值之间的时间差。屏幕右下角的光标时间读取显示10n的延迟。周期也可以用游标测量。相位差可以用方程确定:

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

地点: D 波形和T之间的延迟 P 是波形的周期。

图2 利用示波器测量两种波形上相同相位点之间的时滞

这项技术是模拟示波器测量的残余。它的工作原理是数字示波器,但测量精度很大程度上取决于手动放置的光标。

相位参数

通过提供基于源波形延迟和周期的直接相位测量来简化相位测量。您可以为每个波形选择测量阈值和斜率。相位测量与前一节采用的方法相同,即使用插值器来确保测量的相位点的精确位置。使用示波器的内置测量功能的优点是,它删除了光标作为错误源的位置。相位可以以度、弧度或周期百分比的单位读取。 图3 提供一个相位测量的例子.

图3 用相位测量参数:参数P1(左下)用统计显示相位参数。

在屏幕图像的左下角使用参数P1进行相位测量。这个示波器进行"所有实例"的测量,意味着在每次采集的屏幕上每一个周期都要测量相位。大量的相位测量支持测量统计数据,如图所示 图3.测量统计显示最新的测量、所有测量的平均值、遇到的最大值和最小值、标准偏差以及统计中包括的测量数量。关键的统计读数是平均值和标准差。平均值是所有测量结果的平均值.标准差是衡量测量中不确定性的一种手段.在本例中,平均值为36度。标准偏差为0.747度。测量中的大部分不确定度是波形上垂直噪声的函数。平均值通过平均测量值来减少噪音.降低示波器前端带宽可以进一步降低噪声。

动态相位测量

有时相位差并不是静态的,你需要描述一个信号的相位变化--想想相位调制载波。这种类型的测量依赖于基于参数的定时测量的"所有实例"特征。测量了每一个周期的波形。此资料可使用 趋势或跑道图 .当水平轴是测量事件时,趋势图将所有测量值以波形连接在一起。另一方面,这条轨道则将测量值作为时间的函数.这与源波形保持同步性。因此,如果其中一个波形被相位调制,你就可以得到一个瞬间相位的周期图。 图4 .

上线,C1,在 图4 是一个10兆赫载波,相位调制(PM)由100千赫正弦波。在没有调制的情况下,跟踪C2(顶部第二个)是10兆赫正弦。相位参数读取两个波形之间的相位差。测量的每一个周期的源波形的相位差被绘制在第三跟踪从顶部(F1),作为相位参数的轨道,并显示相差对时间。从本质上说,这已经对PM波形进行了解调。

注意,除了打开测量统计数据之外,示波器还显示了相位参数的一个标志性直方图。这幅图展示了一个微型版的相值直方图。用手指着这个按钮,点击就会在底部的轨迹中显示出全方位的相位差直方图。直方图将幅度范围分解为用户设置的"箱数"。"每一个容器内的测量值(垂直比例尺)的数目与测量值(水平比例尺)的比例是绘制的。鞍形直方图是典型的正弦信号。轨迹图中的步骤和直方图中的间隙是在源波形的每个周期中固定值的相位差值的结果。

图4 动态相位差测量利用参数轨迹函数(跟踪F1),以显示周期的周期变化,在相位差作为一个时间的函数。

相位参数读数的最小值和最大值提供了整个调制周期的相位偏移范围。

其他相位测量技术

相位参数在时域内测量相位,并依赖于检测用户设定的电压阈值之间的波形变换。附加的垂直噪声,从波形源和示波器本身,限制了这种测量的精度。你可以通过限制示波器的带宽来提高信噪比水平,这就使得测量的标准偏差值更小,从而使读数更精确。通过多次测量和使用相位的平均值或平均值而不是瞬态值,进一步提高了精度。

您也可以在频率域上进行相位测量,方法是在信号频率下计算输入的一个点离散傅立叶变换(DFT),并读取FFT的相位。这是一种用于选择性测量参数窄带相位的技术。 图5 介绍了利用相位参数测量相位差的方法,同时也给出了NBH的测量结果.在所获得的记录中,在参数游标器之间的第一个数据点上,在指定频率读取信号的相位。如果参数游标处于默认位置,则读取记录中第一点的相位。由于我们对两个信号之间的相位差感兴趣,所以需要两个NBH测量。在…里面 图5,我们分别测量了C1和C2波形在参数P-2和P-3。参数数学可以让你得到P4中的相位差。我们看到NBH差为36,000度,相位参数为35,993度。注意,NBH测量的标准偏差明显低于相位参数。这是因为在1000周期采集长度下,NBH测量具有较窄的测量带宽(105千赫)。记住,NBH是一个可选的参数,将增加示波器的成本。

图5 通过比较相位参数间的相位差测量结果,可以看出NBPH法性能稍好。

经典相位测量-李萨朱斯图案

对于那些曾经使用模拟示波器的浪漫主义者来说,你可能还记得用一个经典的利萨朱斯图案来测量相位差。它可以通过在示波器的x-Y显示器上交叉绘制两个波形来测量。 图6 .在这个图中,1(C1)通道上的波形提供水平位移或X位移。通道2(C2)提供垂直偏转。李萨约斯图案通过X-Y平面的形状表示相位差。直线表示0或180的相位差,圆表示90的相位差。通过测量最大垂直偏转和零水平偏转时的垂直偏转来确定这些值之间的相位差。在…里面 图6 ,光标标记这两个地点的X-Y图。

图6 使用一个经典的李萨朱斯显示器,你可以测量两个正弦波之间的相位差。

在X和Y元件波形上也会出现并追踪光标。第二通道描述符框中的光标读取显示计算相位差所需的值。

Φ 2 – Φ 1 = ± sin −1 (y x=0 /y 最大值 ) 对于位于象限I的椭圆的顶部

Φ 2 – Φ 1 = ± [180-sin −1 (y x=0 /y 最大值 ) 对于位于象限二的椭圆的顶部

通过检测双通道轨迹来确定相位差的标志.

在我们的例子中,y 最大值 价值是150V,Y X=0 是89.1,椭圆的顶部是在齐:

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

在现代数字示波器上仍然可以使用李萨朱斯图案。 图6 .这种方法的准确性取决于游标的位置,但它产生了合理的结果,更大的艺术华丽。

数据采集系统提供多种测量阶段的技术。在时域直接测量支持静态和动态相的测量.基于频域的nbf为静态相位测量提供了更精确的结果,但需要可选的软件。下一次需要进行相位测量时,请记住这些技术。