低频数字式高精度相位计测量仪工作原理及误差分析

相位计是指测量两个同频信号之间相位差的仪器,低频数字式相位测量仪就是专门测量低频信号的相位差，一般频率是100Hz以内的正弦频率信号，高精度相位计一般是指测量精度特别高，一般测量精度在0.2度以内。低频数字式相位测量仪的工作原理和误差源就是设计低频数字式相位测量仪必须了解的内容。

1、高精度相位计概述

目前相位计是一种应用非常广泛的电子仪器,在电力、航海、机械、航空航天等领域具有广泛的应用,如水深测量、激光测速、电磁波测距、电力系统的相位检测装置(PMU)等等。

早期相位差的测量都依靠于模拟器件,大多是将相位差转换成电流或电压来进行测量,例如示波器测量法、阻抗法、和差法、三电压法等,虽然方法简单,但所设计的相位计硬件电路复杂,受电路的温漂、线路内阻等多种因素影响,测量精度较低。与传统相位计设计相比,采用基于FPGA实现的相位计具有如下的优点:(1)降低了相位计硬件电路的设计难度。(2)提高了测相精度。(3)缩短了开发周期,降低开发成本。(4)主要文件是HDL源程序。

2、过零鉴相法的基本原理

过零鉴相是数字相位计中应用最广的一种方法。目前,低频精密相位计多采用这种方法。它的优点是测量精度高、分辨率高、便于数字化和极适合低频精密相位测量。缺点是对谐波的影响很敏感,而且要从一个具有一定噪声干扰的信号中准确检测其过零点是比较困难的。

高精度相位计工作原理

在过零鉴相这种方法中,准确的过零点位置对鉴相的精度尤为重要。过零鉴相的方法在此基础上逐渐由单向过零鉴相法发展到双向过零鉴相法,解决了温度漂移问题,大大减小了谐波对测量误差的影响,大大提高了相位计的稳定性与可靠性。

3、低频数字式相位测量仪误差源

现代不少技术领域对低频或超低频相位测量提出了较高的测量准确度。多种类型的相位计,特别是数量最大的过零检波法(它包含时间比值法和平均电压法)所用的数字相位计,都具有百分之几到十分之几度的准确度。但是不适当的测量将引入各种附加误差,因而破坏了相位计用于测量时可以达到的准确度。

误差分类在低频下用相位计测量两个信号之间的相位差时,误差来源包括以下三大类:

第1类是相位计外部的测量电路所引起的误差

包括下列阻抗引人的误差:(1)两个信号电压源阻抗;(2)连接到相位计输入端的接线阻抗,(3)相位计的输人阻抗(因为输人电路紧邻外部电路,且其引人的误差与外部电路阻抗相关,而把它归入本误差中)。这类误差出现在所有相位测量中,与所用相位计的工作原理无关。若在相位计的输入端加入适当的隔离电路可以减小或消除此类误差。

第2类是波形误差

它由两个被测信号电陈森元(中国计量科学研究院)压偏离正弦所产生,与相位计的工作原理有关。过零检波法、矢量和测相技术会产生此类误差。

第3类是相位计自身的误差(即准确度)

应该把它理解为相位计测量相移变化(或称差值相移DiffereotialphaseShift)的准确度(严格的说是相位计的线性)。也就是通常相位计技术指标中所给的基本准确度。一般情况下对相位计进行检定,都是检定此误差。由于第1、2类误差随测量条件不同而差异**,所以不宜把它们考虑在相位计的基本准确度中。否则,就不能确切而方便地给出相位计的淮确度。也使相位计应如何检定变得模糊不清。因此,应该根据具体情况,把上述各阻抗值(所以相位计的输入阻抗也就应为其重要技术指标之一)及信号源波形失真等计入附加误差之列。

严格说来,相位计自身的误差应包括两通道等电平变化的误差,两通道输人不等电平的附加误差以及测量相移变化而伴随有幅度变化时的附加误差。它们与幅度有关,故称为幅相误差,但它们在本质上有明显的区别,随测量情况不同,可能出现其中一、二个或全部附加误差。当出现两个以上误差时,相位计的白身误差就变得复杂了。

4、相位计误差源消除办法

有几种方法用来消除测量电路引人的误差。下面分别对两信号之间的相位差测量及差值相移测量进行讨论。(1)两信号之间的相位差测量为了消除测量电路引入的误差,应该设法做到下列几点:

a.使用对称高阻输人(特别是输人并联电容要小)相位计,并使用短而等长、连接线电容小的连接线。

b.如果相位计的输入阻抗不满足上述要求,可在输人端加一级高阻输入、低阻输出隔离电路。对于一些无需外加信号进行调零的相位计,这样做可能会使相位计的零点偏离。但是可预先用同一信号输入检查出零点偏离值,并进行修正。

(2)差值相移测量或相位计校谁相位计测量差值相移或用差值相移去校准相位计的线性时,测量电路的阻抗不会引入误差,除非随相移的调节源阻抗跟着变化。在出现源阻抗变化的情况下,仍可采用上述加入隔离电路的方法。

5、测定相位计的幅相误差的方法

(1)两通道等电平变化的幅相误差容易测定。对于需外加信号进行调零的相位计,一般无此幅相误差。而无需外加信号调零的相位计,存在的这个幅相误差是由相位计各级电路的非线性所引起。用等电平输人不同的信号值检查相位计的零点偏差,即为两通道等电平变化时的幅相误差。

(2)两通道输入不等电平的幅相误差。对于需要外加信号调零的相位计,此误差是由相位计两通道之间的交叉祸合所引起。对无需外加信号调零的相位计,是由各级电路的非线性所引起的误差和两通道交叉祸合误差所组成。使用无第I类误差(或可忽略)的测量电路,保持一个通道信号电解不变,在改变另一通道电平的情况卞,测量。’到360`内不同的标淮相移值,即可测定此幅相误差范围。然而,这并不是很容易能做到的。

(3)测量差值相移而伴随有幅度变化时的幅相误差。不少文章里把这个误是称为动态相位测量误差。这个误差也是由相位计各级电路的非线性和两通道之间的交叉祸合所引起。关于这个误差已有文章仁”作了详细的理论分析,并在此基础上提出了准确而实用的测定此误差的方法。

6、高精度相位计推荐

SYN5607型相位计是由西安同步电子科技有限公司精心设计、自主研发生生产的高精度相位测量仪。该设备具有操作简便、使用方便、安全，相控雷达阵、无线电导航系统、自动控制系统的测距和定位，电力系统中相电压的相位差测量等都有广泛应用。

西安同步电子科技有限公司专注于时间频率产品的研发和生产，企业通过ISO9001质量体系认证，所有计量设备都有相应的测量报告，高精度相位计已经成为我公司的拳头产品，性价比高，是目前各大院所选购的明星产品。