高精度相位测量仪的介绍及测量

高精度相位测量仪的介绍及测量

相位介绍

相位是与电路结构有关的参数。

相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。比如正弦交流电流，它的公式是i=Isin2πft。i是交流电流的瞬时值，I是交流电流的最大值，f是交流电的频率，t是时间。随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零。

相位(phase)是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。是描述讯号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，也称作相角。当讯号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360° 。常应用在科学领域，如数学、物理学等

相位调整

相位调整是指在有些超低音音箱上加装的一个控制机构。用于对超低音音箱所重放出的声音稍许加以延迟，从而让超低音音箱的输出能够和前置主音箱同相位，即具有相同的时间关系。

相位噪声

相位噪声是频率域的概念，是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。

如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。

相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。

相位差

两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。

例如研究加在电路上的交流电压和通过这个电路的交流电流的相位差。如果电路是纯

电阻，那么交流电压和交流电流的相位差等于零。也就是说交流电压等于零的时候，交流电流也等于零，交流电压变到最大值的时候，交流电流也变到最大值。这种情况叫做同相位，或者叫做同相。如果电路含有电感和电容，交流电压和交流电流的相位差一般是不等于零的，也就是说一般是不同相的，或者电压超前于电流，或者电流超前于电压。

相位测量

当今，相位的测量需求日益增长。高精度测距大多采用的是激光相位式测距。相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，来间接的测定信号传播的时间，从而求得被测距离的。因此，信号相位测量的精度也就决定了测距的精度。

相位测量技术的研究由来已久，最早的研究和应用是在数学的矢量分析和物理学的圆周运动以及振动学方面，随之在电力部门、机械部门、航空航天、地质勘探、海底资源等方面也相应得到重视和发展。随着电子技术和计算机技术的发展，相位测量技术得到了迅速的发展，目前相位测量技术已较完善，测量方法及理论也比较成熟，相位测量仪器已系列化和商品化。

现代相位测量技术的发展可分为三个阶段：第一阶段是在早期采用的诸如阻抗法、和/差法、三电压法、比对法和平衡法等，虽然方法简单，但测量精度较低；第二阶段是利用数字专用电路、微处理器、FPGA/CPLD、DSP等构成测相系统，使测量精度得以大大提高；第三阶段是充分利用计算机及智能化虚拟测量技术，从而大大简化设计程序，增强功能，使得相应的产品精度更高、功能更全。同时，各种新的算法也随之出现。

相位测量是正弦信号经过不同的时间或不同的网络后可以有不同的相位。通常所谓相位测量是指对两个同频率信号之间相位差的测量。最常见的是对网络输入与输出信号的相位差，即网络相移的测量。能提供固定或可变相移量的无耗二端口网络称为固定或可变移相器。

数字处理技术的发展日新月异，随着集成电路技术和软件技术的不断发展和解决复杂问题能力的不断提高，DSP技术的出现使得测量仪器集成度高，稳定性好，测量速度快，精度高，操作简捷，功能也越来越强大。

目前，国内相位计生产厂家或研究单位明显存在着技术老化问题，其采用的器件、方法和技术与技术先进国家有较大的差距。而最近发展的先进的计算机技术、电子技术等却由于技术、资金、管理等方面的原因未能应用于相位测量技术，因此国内相位测量的水平有着相当大的差距。同时，随着国防和科教等领域的发展，迫切需要高精度高性能的相位测量系统，而且在一些特殊工程领域，还需要测量仪器具备其它特殊功能。由此可见，为缩小这些差距，

对高精度相位测量算法的研究和相位测量系统的设计刻不容缓。

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本文给大家介绍一套较完整的数字高精度相位计，提高相位及频率参数的测量精度，并扩展测相系统功能，该设备具有操作简便、使用方便、安全，由于采用电流耦合、高阻输入方式对轨道电路相位差、相邻区段极性交叉进行检查，解决了相邻区段有车占用时极性交叉无法检查的问题。

此设备的功能特点：

1）稳定性好，性能可靠；

2）对正弦/三角/梯形波/方波的相位差进行精密测量；

3）高度集成，精度高；

参数指标：

输入信号波形正弦/ 三角/ 梯形波 /方波

输入阻抗1MΩ

相位范围0° to 360° or ±180°

频率范围10Hz ～ 99Hz

幅度范围0.5～250V分六个量程，自动选择量程

测量精度相位测量精度±1°（典型值正弦波：10Hz-99Hz ）

相位分辨率0.1°

相位重复性±0.01°或更好

频率测量精度±0.5Hz

频率分辨率0.1Hz

幅度精度±1.5%

幅度分辨率1mV、0.01V、0.1V

环境特性工作温度0℃～＋50℃

相对湿度≤90%（40℃）

存储温度-30℃～＋70℃

供电电源交流 220V±10%， 50Hz±5%，功率小于75W

机箱尺寸3U，19″标准机箱（上机架）482mm（宽）x370（深）x150mm（高）

测相位差原理分析

一般测量相位差有如下两种方法：

方法1：:

将两路同频不同相的方波信号异或后得到的脉冲宽度t与方波信号的周期T的比值（占空比），即对应为两信号的相位差，如下图所示：

异或测量相位差的原理图

方法2：

通过捕获处理后的两通道的方波，就可计算出相位。原理如图2－5所示：