俞 梁 英

(1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系;2.江蘇省光伏風(fēng)電控制工程研發(fā)中心，江蘇蘇州 215009)

0 引言

信號(hào)的相位差測(cè)量在電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1］。相位差的測(cè)量是研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中必不可少的內(nèi)容，如何使相位差的測(cè)量快速、精確已成為生產(chǎn)科研中重要的研究課題。

Multisim提供了許多便捷功能，但其在正弦穩(wěn)態(tài)等電路分析中不能直接測(cè)量電壓相位差。通常把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔，先測(cè)量出時(shí)間間隔，再換算為相位差［2-3］。

將初相位為φ1、φ2的正弦電壓u1、u2分別接到雙蹤示波器的Y1通道和Y2通道，適當(dāng)調(diào)節(jié)掃描旋鈕和Y增益旋鈕，使熒光屏顯示出如圖1所示的上、下對(duì)稱的波形。設(shè)u1過(guò)零點(diǎn)分別為A、C點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為tA、tC;u2過(guò)零點(diǎn)分別為B、D點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為tB、tD。正弦信號(hào)變化一周是360°，u1過(guò)零點(diǎn)A比u2過(guò)零點(diǎn)B提前tB－tA出現(xiàn)，所以u(píng)1超前u2的相位，即u1與u2的相位差如式(1)所示:

式中:T為兩同頻正弦波的周期;ΔT為兩正弦波過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差。

若示波器水平掃描的線性度很好，則可將線段AB寫為AB≈k(tB－tA)，線段AC≈k(tC－tA)，其中k為比例常數(shù)，式(1)改寫為:

量得波形過(guò)零點(diǎn)之間的長(zhǎng)度AB和AC，即可由式(2)計(jì)算出相位差φ。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，在應(yīng)用直接比較法測(cè)量相位差時(shí)盡量使用雙蹤示波器，兩個(gè)正弦波形同時(shí)顯示在熒光屏上，觀測(cè)兩波形過(guò)零點(diǎn)時(shí)間及周期方便且較準(zhǔn)確。

圖1 直接比較法測(cè)量相位差

這種測(cè)量方式有兩個(gè)缺點(diǎn):一是不能直接讀出相位差，而是測(cè)時(shí)間差通過(guò)計(jì)算間接得相位差，測(cè)量誤差較大;二是不便捷。由于示波器連接到電路時(shí)需要與電路“共地”，故只能測(cè)量電路中的電位信號(hào)，而不可測(cè)量任意兩點(diǎn)間的電壓信號(hào)，這對(duì)分析研究正弦穩(wěn)態(tài)電路造成較大的困難［4-5］。

為解決這一問(wèn)題，本文提出基于Multisim的受控源和波特儀組成的一種簡(jiǎn)捷的相位差測(cè)量電路的方法。通過(guò)實(shí)例電路的仿真進(jìn)一步說(shuō)明電路的測(cè)量方法，并對(duì)電路中相關(guān)參數(shù)的誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明該電路測(cè)量頻率范圍寬、精度高，可用于相位差電路的直接測(cè)量。

1 相位測(cè)量電路

目前在Multisim中測(cè)量相位差普遍利用基本運(yùn)放的差分測(cè)量電路和Multisim自帶工具波特圖示儀構(gòu)成測(cè)量電路。該電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意兩點(diǎn)的電壓信號(hào)與掃描信號(hào)源之間的相位差。基本運(yùn)放電路的相頻特性影響到對(duì)被測(cè)信號(hào)的相位差的影響［6-8］。當(dāng)信號(hào)頻率小于10 kHz時(shí)，測(cè)量放大器附加相位移，Δφ≤0.01°;當(dāng)信號(hào)頻率大于100 kHz時(shí)，Δφ≤0.1°，可以認(rèn)為信號(hào)頻率在0～10 kHz內(nèi)附加相位移Δφ≈0°。為了進(jìn)一步提高電路測(cè)量的精度，為此本文提出了一種新的簡(jiǎn)化的仿真測(cè)量電路。該電路引入受控源，對(duì)被測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。這種方法不存在測(cè)量電路的相頻特性對(duì)被測(cè)信號(hào)的影響，保證了仿真測(cè)量的精度，仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

利用Multisim中的電壓控制電壓源來(lái)進(jìn)行測(cè)量電路中任意兩點(diǎn)間的電壓差，電壓控制電壓源連接電路如圖2所示。該測(cè)量電路可測(cè)量電路中任意兩點(diǎn)間的電壓信號(hào)，并可將其電位差及兩點(diǎn)間的電壓與信號(hào)源之間的相位差直接顯示出來(lái)。

Multisim中波特儀能測(cè)量和顯示電路的幅頻特性和相頻特性，可以用于測(cè)量一個(gè)信號(hào)的電壓增益或相位移［3］。在Multisim中使用波特圖儀仿真時(shí)，電路中必須有交流信號(hào)源，但其參數(shù)對(duì)波特圖儀的頻率分析結(jié)果無(wú)影響，即默認(rèn)頻率掃描交流信號(hào)源的幅度為1 V，初相位為0°。頻率為波特圖儀設(shè)定的掃描范圍。借助于波特圖儀相頻特性的測(cè)試功能，可測(cè)量出被測(cè)電壓信號(hào)在指定頻率處與掃描信號(hào)源(默認(rèn)其初相位為0°)之間的相位差，通過(guò)面板顯示窗可顯示相位差的數(shù)值，并可顯示出相位的超前或滯后關(guān)系［9-11］。

圖2 相位測(cè)量仿真電路

在圖2中引進(jìn)了VCVS受控源來(lái)測(cè)量電感L1兩端的電壓差，受控源的比例設(shè)成1∶1，這樣在測(cè)量電路中某一器件的電壓相位時(shí)只要把兩端的電壓作為受控源的控制信號(hào)，受控源的輸出信號(hào)一端接地就可以測(cè)出該器件兩端的電壓降。

為了保證仿真的精度，測(cè)量前應(yīng)對(duì)波特圖儀面板參數(shù)做必要的設(shè)置。Mode選Phase(即顯示相頻特性);Horizontal選 Lin，選掃描頻率的范圍滿足:(初值)I＜f＜F(終值)，且讓I(初值)和F(終值)盡量接近信號(hào)的頻率(本仿真中取信號(hào)頻率的±10%區(qū)間進(jìn)行仿真設(shè)置，可有效提高讀數(shù)精度);Vertical選Lin，一般為在 －180°～ +180°;Controls下，在 Set中將ResolutionPoints設(shè)置為最大即1 000(可提高讀數(shù)精度)。測(cè)量時(shí)將波特圖儀顯示窗中讀數(shù)指針移至信號(hào)頻率處，顯示窗下顯示所測(cè)電壓與掃描信號(hào)源之間的相位差值，也可以從基本工具欄的圖形記錄儀中讀取數(shù)據(jù)，如鼠標(biāo)指向測(cè)量線按右鍵，單擊SetX_Value，設(shè)X的頻率為100 Hz，從而實(shí)現(xiàn)了相位差的直接測(cè)量和顯示［12-14］。

設(shè)定SetX_Value為100 Hz后，由顯示圖可知，100 Hz時(shí)，電源V1初相位為0°，電感L1上的初相位為 86.257°。

2 實(shí)測(cè)電路誤差分析

在圖2的測(cè)量示例電路中，該電路的復(fù)阻抗［15］為:

由式(3)得阻抗Z的復(fù)角(阻抗Z上電壓與電流的相位差)為:

圖2是利用波特儀進(jìn)行仿真測(cè)量電感相對(duì)電源Us的相位差，即在用相量模型計(jì)算過(guò)種中選用電源Us作為參考相量，以阻抗的復(fù)角的定義可知，電感電壓相量及相位角、電阻電壓相量及相位角，電容電量相量及相位角可由下列各式計(jì)算:

表1給出了不同頻率的電阻、電感的相位差的理論計(jì)算和仿真測(cè)量的值之間的比較。

表1 電阻、電感、電容上電壓的相位差

表1中的數(shù)據(jù)表明相位差測(cè)量電路在1～100 kHz的頻率范圍內(nèi)測(cè)量的絕對(duì)誤差等于0。引進(jìn)該受控源相位測(cè)量電路比傳統(tǒng)差分運(yùn)放測(cè)量電路的帶來(lái)的誤差大大降低了，即消除了運(yùn)放電路的附加相位移△φ。

3 結(jié)語(yǔ)

本文給出了兩同頻率信號(hào)相位差的一種精確、快速的測(cè)量方法，充分利用了受控源理想特性快速構(gòu)建仿真測(cè)量電路，相對(duì)于差分測(cè)量電路本文的方法不存在運(yùn)放的相頻特性對(duì)被測(cè)信號(hào)相位差的影響。在絕大多數(shù)電路分析研究中，可以滿足測(cè)量要求，很好地解決了Multisim軟件中不能測(cè)量電壓相位差的問(wèn)題。

［1］苗立交，楊新華.基于LabVIEW的相位差測(cè)量技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2010，33(6):79-81.

MIAO Li-jiao， YANG Xin-hua. Phase difference measurement technology research and implementation based on LabVIEW platform［J］.Electronic Measurement Technology，2010，33(6):79-81.

［2］許志華.Multisim中相位差測(cè)量電路的設(shè)計(jì)［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2011，30(12):63-65.

XU Zhi-hua.Design of the phase deference measurement circuit in Multisim［J］.Foreign Electronic Measurement Technology，2011，30(12):63-65.

［3］郝寧眉，劉廣孚.Multisim仿真中的相位差測(cè)量［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009(11):46-48.

HAO Ning-mei，LIU Guang-fu.Phase Deference Measurement in Multisim ［J］.Instrument Technique and Sensor，2009(11):46-48.

［4］孫惠章.基于LabVIEW多功能相位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(6-1):160-162.

SUN Hui-zhang.Design of the Multifunction Phase Measurement Instrument Based on LabVIEW ［J］.Microcomputer Information，2008，24(6-1):160-162.

［5］葉 林，周 弘，張 洪，等.相位差的幾種測(cè)量方法和測(cè)量精度分析［J］.電測(cè)與儀表，2006(4):11-14.

YE Lin，ZHOU Hong，ZHANG Hong，et al.Messurement Methods for the Phase Shift Detection and their Accuracy Analysis ［J］.Electrical Measurement and instrumentation，2006(4):11-14.

［6］羅 倩.Multisim仿真軟件測(cè)量電流的新方法［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25(12):99-101.

LUO Qian.A new solution of current measurement using Multisim simulation software［J］.Experimental Technology and Management，2008，25(12):99-101.

［7］許 艷.Multisim軟件在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2006，3(2):526-528.

XU Yan.Application of Multisim in the Electronic Circuit Design［J］.Journal of Yangtze University(Natural Science Edition)，2006，3(2):526-528.

［8］李 錫，林連山，樊薇薇，等.新形勢(shì)下EWB輔助電工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(4):346-348.

LI Xi，LIN Lian-shan，F(xiàn)AN Wei-wei，et al.Application of EWB to assist electrotechnics experimental teaching under new education situation［J］.Experimental Technology and Management，2012，29(4):346-348.

［9］董 光.電路仿真軟件EWB概述［J］.吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(4):65-67.

DONG Guang.Overview of Circuit Simulation Software EWB［J］.Journal of Jilin Province Economic Management Cadre College，2012(4):65-67.

［10］羅廷芳，南 江，李 偉.NI Multisim 10在電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012(6):154-157.

LUO Ting-fang，NAN Jiang，LI Wei.Applying NI Multisim 10 in electrical and electronic technology course teaching ［J］.Electronic Design Engineering，2012(6):154-157.

［11］王章權(quán).Multisim仿真技術(shù)在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.浙江樹(shù)人大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2008(12):1-5.

WANG Zhang-quan.Application of Multisim Simulation Technology to the Teaching of Analog Electronic Technology Course.Journal of Zhejiang Shuren University(Acta Scientiarum Naturalium).2008(12):1-5.

［12］黃荷英.基于Multisim電子仿真軟件的電路設(shè)計(jì)與研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(16):33-36.

HUANG He-ying.Circuit design and researchi based on electronic simulation sofeware Multisim ［J］.Modern Electronics Technique，2012，35(16):33-36.

［13］鐘美玲.淺談電路仿真技術(shù)在電子教學(xué)中的應(yīng)用［J］.職教論壇，2009(29):33-34.

ZHONG Mei-ling.On the circuit simulation technology in the elearning application［J］.Vocational＆ Technical Education Forum，2009(29):33-34.

［14］李宗平.RLC串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)的Multisim仿真教學(xué)法［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2009(04):84-86.

LIZong-ping.Multism Simulation Approach ofRLC Series Resonance Experiments［J］.Physical Experiment of College，2009(4):84-86.

［15］李 鵬，劉永濤.RLC串聯(lián)電路頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(4):327-329.

LI Peng，LIU Yong-tao.Experimental Teaching Research of RLC AcceptorFrequency Response Circuitry［J］. Research and Exploration in Laboratory，2012，31(4):327-329.