精密相位测量仪设计原理分析

现阶段相位角测量主要包括过零比较法和傅里叶变换测量法。现有的相位测量仪普遍采用过零比较法，而过零比较法由于信号幅值变化引起相位测量误差较大。当信号幅值低于50%时，会带来±0.2°~±0.5°的相位误差。正弦信号过零点易受噪声干扰，导致失真且过零比较器容易产生抖动。基于傅里叶变换测量方法会引入周期T测量误差，且需要高速ADC进行实时采样，高速ADC价格昂贵，研发成本高。

1、过零比较法测量误差分析

相位差测量一般都是采用过零比较法。首先，相位差是一个比较量，测量两路信号之间相位差不仅需要保证两路信号的频率相同，而且要排除由于两路信号的幅值变化等其他因素对测量结果造成的影响。其次，相位差信号依附于电压、电流信号中。如何剔除电压、电流、频率变化对相位测量的影响是相位差测量中极为重要的方面。

当取自电网中信号幅值变化时，会对高精度相位测量产生较大的影响。假定电网信号通过电压互感器和电流互感器提取为正弦波信号，且幅值可调。信号经过过零比较器，整形为方波信号。由于过零比较器存在零漂及受地线零点电平的影响，使得比较电平不为0mV。一旦信号幅值变化，经变换后的信号相位将改变。

U1为100%幅值信号；U2为10%幅值信号；Am为幅值；w为角速度。当信号幅值从100%降低至10%时，经变换后的方波信号相位产生了Δφ的误差。这是相位角测量的主要误差来源。下文中将介绍在传统的过零比较法改进的技术方案。

2、新型过零比较法

基于传统过零比较法的优化方法，相比一般的过零比较法，降低了因信号幅值变化引起的相位测量误差。相比基于傅里叶变换方法，未引入测量周期T带来的误差，实现成本低。方案中提出的校准方法对相位进行量值传递，确保相位的准确性。

同频正弦波信号Ui和Ii经过信号调理模块后对信号进行放大，进行调理后经过比较器整形变成两个方波信号，再通过跟随器进行消抖。一般的过零比较器将负向输入端连接模拟地。由于比较器直流零漂存在，此时比较电平并不是0mV，而是高于或低于0mV。因此，在电路比较器负向输入端连接电位器RT1和RT2。当信号幅值改变时，在此通过调节电位器RT1和RT2将比较电平调至0mV，降低因信号幅值改变产生的影响。

正弦波经信号整形变成方波信号，方波的上升沿和下降沿分别对应正弦信号的正过零点和负向过零点。将两个信号进行相位变换后，得到宽度为ΔT的正脉冲即2个同频方波的前沿（或后沿）之间的时间差，宽度为ΔT的正脉冲信号打开闸门，使计数器在这段时间内记录标准脉冲数。设τ为时标信号脉冲间隔，计数器值为N，则可计算ΔT。ΔT为Ui与Ii的相位差时间，转换成角度为Δφ=ΔT/T×360∘

T的测量方法与ΔT基本类似，因为两路信号为同频信号，测量其中一路信号周期即可。Ui信号通过信号调理后，先经过过零比较器整形为方波。经过相位变换，产生的正脉冲信号打开闸门，计算器在这段时间内记录标准脉冲数，计数为M，所以T=Mτ。

Δφ=Nτ/Mτ×360∘=N/M×360∘

3、相位量值溯源

为了确保相位角的准确性，需要对相位仪其进行校准。而相位是依附电压、电流、频率存在的。先将电压、电流幅值升至100%，用更高等级相位表对其进行相位校准。然后将幅值降为10%，通过调节电位器RT1和RT2，调节比较电平，使得相位测量误差在±0.01°~±0.02°时再进行校准。这样降低了因信号幅值改变对相位测量带来的影响。

此校准方法线性度好，电压电流幅值在10%~100%变化时，同样满足测量精度在±0.01°~±0.02°。

4、优化总结

此优化方法是基于传统过零比较法的基础上进行改造，实现电路简单，成本低，精度高。通过电位器使得过零比较器比较电平保持0电平不变，降低由于信号幅值的改变影响相位测量精度。使得相位测量误差保持在±0.01°~±0.02°。

5、相位测量仪厂家

国内生产相位测量仪的厂家并不多，西安同步电子科技有限公司就是其中一家，他们采用先进的过零检测技术，实现了高精度相位测量，达到了和国外同等技术指标的相位计，SYN5607型高精度相位计就是目前应用最为广泛的相位测量仪，通过国内多个计量院所的测量校准，均满足指标要求。