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【干貨】如何使用示波器測量相位差 我們在測試測量工作中往往需要描述所有周期性信號，這時我們會使用幅度和相位來進行，那么信號通過電路網絡時必須計算信號的相位變化，這時我們可以使用示波器測量相位變化。 周期性波形的相位描述了某個時間點的特定位置，圖1標出了一些重要的相位點：最大幅度，最小幅度以及正向和負向過零點，波形的相位是周期性的，波形的完整周期被定義為具有360°或2π弧度的相位。 
圖1周期性正弦波上的重要相位點是峰值和過零點 相位差或相位角是兩個相位點之間的相位差，通常在具有相同頻率的兩個不同波形上，通常，我們對信號通過電路、線纜、連接器或PCB之前和之后的相位差感興趣。具有超前相位的波形具有比其相對波形更早出現的特定相位點，當信號通過一個電容時就是這種情況：輸出電流將比輸出電壓超前90o，相反，具有滯后相位的波形具有比相對波形更晚出現的相位點，如果兩個信號的相位相差180°，則說兩個信號相反，相位相差±90°的信號是相位正交的。 使用延遲時間測量的相位差 通過找到兩個波形之間的時間延遲及其周期，可以在示波器上測量相位差，可以使用示波器的光標完成此操作。如圖2所示，其中相對光標測量兩個10 MHz正弦波的最大值之間的時間差，屏幕右下角的光標時間讀數顯示延遲為10 ns，也可以使用光標測量周期，相位差（以度為單位）可使用以下公式確定：Φ = td/tp ×360 = 10 ns/100 ns × 360o = 36o其中：td是波形之間的延遲，tp是波形的周期
圖2使用示波器光標測量兩個波形上相同相位點之間的時間延遲 這種技術延續于模擬示波器，也適用于數字示波器（DSO），但測量精度非常依賴于光標的手動放置。 相位測量參數DSO 通過直接提供相位測量參數來簡化相位測量，基于測量波形的延遲和周期，可以設置每個波形的測量閾值和斜率，相位測量與前一部分中使用的方法相同，應用插值以確保測量的相位點的準確定位，使用示波器內置測量參數的優勢在于它避免了光標放置的錯誤，相位可以以度、弧度或周期百分比為單位讀出，圖3提供了相位測量的示例。
圖3使用相位測量參數：參數P1（左下角）顯示帶有統計數據的相位信息使用屏幕左下角的參數P1執行相位測量，示波器執行進行“所有數據”測量，這意味著示波器會測量采集的屏幕上每個周期的相位，可用的大量相位測量支持測量統計，如圖3所示，測量統計顯示最近的測量，所有測量的平均值、最大值和最小值、標準偏差以及統計數據包含的測量數量。關鍵的統計讀數是平均值和標準偏差，平均值是所有測量值的平均值，標準偏差是測量中不確定度的度量，在此示例中，平均值為36o，標準偏差為0.747o。該測量中的大部分不確定性是波形上垂直噪聲的函數，平均值通過平均測量值來降低噪聲，通過降低示波器前端的帶寬可以進一步降低噪聲。 動態相位測量 有時相位差不是靜態的，需要表征信號相位變化，例如相位調制載波，這種類型的測量依賴于參數時序測量的“所有數據”特性，測量波形的每個周期的相位。可以使用趨勢圖或追蹤圖顯示動態信息，趨勢圖是將所有測量值組合在一起的波形。另一方面，追蹤圖將測量值繪制為時間的函數，與源波形保持時間同步。因此，如果其中一個波形是相位調制的，可以獲得瞬時相位的逐周期圖，如圖4所示。圖4中上部波形C1是10MHz載波，通過100kHz正弦波進行相位調制（PM），波形C2（從頂部開始的第二個）是10MHz正弦波，沒有調制。相位測量參數讀取兩個波形之間的相位差，測量的每周期相位差繪制在從頂部向下第三個波形（F1）中作為相位測量參數的追蹤圖，并且示出相位差與時間的關系，實質上，這解調了PM波形。請注意，除了打開測量統計數據外，示波器還會顯示相位參數的histicon（直方圖圖標），該histicon顯示了相位值直方圖的微縮版本，指向histicon并單擊結果，在底部顯示相位差的滿量程直方圖，直方圖將幅度范圍分成用戶設定的“箱”數。繪制每個箱內的測量值的數量（垂直標度）與測量值（水平標度）的關系，鞍形直方圖是典型的正弦信號，追蹤圖中的臺階數和直方圖中的間隙是源波形的每個周期的相位差值保持固定值的結果。
圖4利用參數Track功能（波形F1）進行動態相位差測量，以顯示作為時間函數的相位差周期變化相位參數讀出的最小值和最大值提供整個調制周期內的相位偏移的范圍。 其他相位測量技術 相位參數在時域中測量相位，并且依賴于檢測穿越用戶設定電壓閾值的波形轉變，來自信號源和示波器本身的附加垂直噪聲限制了該測量的準確性，可以通過限制示波器的帶寬來提高信噪比，從而使測量的標準偏差值更小，從而獲得更準確的讀數，通過進行多次測量并使用測量的平均值而不是瞬時值來進一步提高精度。還可以通過計算輸入信號頻率處的單點離散傅立葉變換（DFT）并讀取FFT的相位來在頻域中進行相位測量，這是示波器可選的測量參數窄帶相位（nbph），圖5同時顯示了使用相位參數和nbph測量相位差， Nbph在參數光標之間波形數據的第一個數據點處讀取指定頻率的信號的相位，如果參數光標在其默認位置，則將讀取波形數據中第一個點的相位，由于我們對兩個信號之間的相位差感興趣，因此需要進行兩次nbph測量，在圖5中，我們分別使用P2和P3測量C1和C2波形的nbph，使用參數函數在P4中取得相位差，得到nbph差值為36.000o，相位參數讀數為35.993o。注意，nbph測量的標準偏差明顯低于相位參數的標準偏差，這是因為對于1000周期的采集長度，nbph測量具有更窄的測量帶寬（105kHz），請記住，nbph是一個示波器可選參數。
圖5比較nbph和相位測量參數的相位差測量結果，顯示nbph方法的性能稍好一些經典的相位測量- Lissajous模式對于那些曾經使用過模擬示波器的工程師，可能還記得使用經典的Lissajous模式來測量相位差，可以通過在示波器的X-Y顯示上交叉繪制兩個波形來測量，如圖6所示，在該圖中，通道1（C1）上的波形提供水平或X軸，通道2（C2）提供垂直偏轉，Lissajous模式通過X-Y圖的形狀表示相位差，直線表示相位差為0o或180o，而圓圈表示相差90o，相位差處于這些值之間時顯示為橢圓，并且通過測量最大垂直偏轉和水平偏轉為0時的垂直偏轉來確定相位，在圖6中，用光標在X-Y圖上標記這兩個位置。
圖6使用經典的Lissajous模式可以測量兩個正弦波之間的相位差光標還會追蹤顯示X和Y波形的信息，2個通道描述符中的光標讀數顯示了計算相位差所需的值。Φ2 - Φ1 = ±sin −1 (Yx=0/Ymax) 橢圓頂部位于第一象限Φ2 - Φ1 = ±[180-sin −1(Yx=0/Ymax) 橢圓頂部位于第二象限在本示例中，Ymax 等于150 mV, Y X=0 等于 89.1，橢圓的頂部位于第一象限：Φ2 - Φ1 = ±sin −1 (89.1/150) = ± sin −1 (0.594) =36.44oLissajous模式仍然可以用在現代數字示波器上，如圖6所示。這種方法的準確性取決于光標的位置，但它以直觀的方式產生了合理的結果。 總結一下:DSO提供多種測量相位差的技術，時域中的直接測量支持相位的靜態和動態測量。基于頻域的nbph為靜態相位測量提供了更準確的結果，但需要可選的軟件。 今天的介紹就到這里了,希望安泰測試的這次介紹能對大家有所幫助，有任何問題可以隨時咨詢安泰測試。 |
