高压相位差测量检测仪器工作原理及设计

高压相位差测量仪器一般称之为相位计或者相位检测仪，通常在电工技术，工业自动化、测试控制和通讯等领域都有广泛应用。目前一般的相位检测器的工作原理都是采用过零点和相位电压转换法设计，在此简要介绍一下相位差测量仪的工作原理。

1、相位差测量概述

随着科学技术的发展，电信号相位差的数字化测量技术在许多行业有着重要且广泛的应用，如在电工技术、工业自动化、测试控制、通讯等。求取相位差的方法有多种，常用的有过零法、频谱分析法、相关算法等。

过零法测量相位差是通过判断两个同频信号过零点的时刻，计算其时间差，然后将其转换为相应相位差，但当信号中含有干扰时，信号的过零点不易准确测量，误差较大。频谱分析法是通过对被检测信号进行频谱分析，获得信号的相频特性，然后计算两信号在主频率处的差值，即可测得两个信号的相位差，但频谱分析法的检测结果受采样点数的影响较大。

2、相位检测仪器工作原理

数字相位计一般采用相位－电压转换法的相位差数字化测量方法．它测量的是同频信号的相位差，相位差为φ的两个同频信号U1(t)和U2(t)分别经过各自的衰减电路被衰减成为振幅在0．6V到2．0V的基准电压，然后送至相应的整形电路整形为方波，此时对称调整电路会对这两个信号进行对称调整，使得测量结果更准确，这样就得到了两个同频方波信号，再经过鉴相脉冲电路得到一个随相位差变化而变化的脉冲信号Δt．相位差的数字化是采用填充计数法实现的，即用周期为τ的脉冲分别对Δt和T进行计数，则相位差:φ=ΔtT×360°=n1τn2τ×360°=n1n2×360°式子中T为两个被测信号的周期，n1为Δt时间内所填充的脉冲个数，n2为T时间内所填充的脉冲个数．由于不同的信号电压大小不同，所以他们需要进入不同的衰减电路，才能保证整个电路的安全和测量的准确性，这就需要一个精确的自动换程电路．而后续的信号处理需要一个幅值稳定在一个范围内的基准信号，这就需要通过衰减器来实现．　

数字相位计工作原理

3、相位差测量仪的设计

基于斯密特触发器的简易数字相位计由前级波形变换模块、中级信号转换模块与末级信号处理模块组成,将信号1和信号2的相位差经过波形变换成方波,再将两路方波信号转换成一路脉宽信号,利用信号处理模块计算得出相位差.

前级波形变换模块

前级波形变换主要是要将脉冲信号转换为方波信号,实现方法有以下两种:

方案一模拟整形,使用比较器对波形进行过零比较,整形成相应的方波,好处在于速度比较快,易于实现,缺点是稳定性差,易受干扰.同时在比较器选用时还应考虑使用运放还是集成比较器实现,运放具有较高的灵敏度,但带宽不高,难以符合条件,集成比较器灵敏度低,难于满足需求.

方案二数字整形,利用施密特触发器状态转换过程中的正负反馈,可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为很陡的矩形脉冲信号.输入信号是正弦信号,输出端可以得到同频率的方波信号,带宽高,精确度高且稳定.基于以上方案的比较,本设计选择方案二.采用CD40106芯片实现脉冲信号到方波信号的转换,CD40106内部包含6个独立的斯密特触发器,本设计中用到其中两个斯密特触发器完成对两路输入信号的波形转换与校正.斯密特触发器又称斯密特与非门,是具有滞后特性的数字传输门.

方案2有两大特点:

(1)电路具有两个阈值电压,分别称为正向阈值电压和负向阈值电压;

(2)与双稳态触发器和单稳态触发器不同,施密特触发器属于/电平触发0型电路,不依赖于边沿陡峭的脉冲.斯密特触发器具有电压滞后特性,常用它对脉冲波形整形,使波形的上升沿或下降沿变得陡直;还可以用它作电压幅度鉴别.因此,斯密特触发器能很好地实现了波形的精确转换,同时保证了触发转换后信号具有良好的幅值特性,为下一步测量打下基础.相对于使用比较器实现波形变换的模拟电路而言,运用施密特触发器的数字电路,不但精度高,干扰小,无需信号校正,而且对信号频率的限制极小,大大提高了可变换信号的频率上限,进一步提高了信号的测量范围.

4、高压相位差测量仪器介绍

SYN5607型相位计是一款高精度相位测量仪。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从2013年开始研发高压相位计，经过数年艰苦研发，终于在2014年推出了SYN5607型高精度相位计，该相位计具有相位差测量精度高，相位检测灵敏，电压幅度大，性价比高，是国内少有的可以和国外相关相位检测仪媲美的测量仪器。