制信号控制两片计数器。得到的两路计数值送入单片机进行处理得相位差值。 对以上方案进行比较，方案一在所测频率较高时，受锁相环工作频率等参 数的影响会造成相位差测量的误差，采用方案二由高精度的晶振产生稳定的基 准频率，可以满足系统高精度、高稳定度的要求。 相位测量论证与选择 方案一：利用单片机实现测量相位差，实现框图如图1-1所示。 信号1整形电路方波1测频 键盘 信号2整形电路方波2异或门 测脉宽单片机 显示DFF 图1-1利用单片机实现测量相位差原理图 直接利用单片机的内部时钟以异或门的输出为闸门进行计数。理论上晶振为12M时MCS-51单片机的最窄脉宽为1us，误差即为±1us。当要实现1?的步进时，计数脉宽最少为360us，以正弦波计，最高的频率为 1 360*10-6 ＝2.78KHz。显然，此种方法硬件原理上难以保证测量精度，需在软 件上采用?∑技术来提高精度，增加了软件量。 方案二：采用相差－电压测量法。即通过数字鉴相器，如异或门鉴相电路 输出相差脉冲，经过低通滤波器滤出其中的直流成分（其中含有相位信息），设 计原理框图如图1-2所示。 信号输入1数字 鉴相器滤波器A/D单片机显示信号输入2异或门 图1-2数字鉴相、相位－电压法原理框图 此方案为数字方法与模拟方法相结合，数字鉴相器的设计解决了模拟鉴相器的频带限制，但精度问题依然存在。 方案三：采用相差－时间测量法。设计原理框图如图1-3所示。 信号输入A 信号输入B 数字 鉴相器 周期/脉冲 计数/锁存 单片机显示
?360O ??=n N 其中，n为方波相位差对应时间间隔内的脉冲数，N为方波一个周期内的脉冲数。 上述两种方案从对硬件的要求而言，方案一在FPGA芯片基础上需要一片CD4046和一片AD0809，而方案二则在FPGA芯片基础上只需要一片LM393；从测量性能方面来说，在低频率方面，方案一的相位差总共只能有256个量级，而采用通过FPGA记脉冲数的方法测量的精度将远远高出此量级。因此，选用方案二，采用比较器LM393和FPGA来实 现测相。 相位差测量 方案一：将被测的两路正弦波信号整成方波信号，利用异或门电路进行鉴相处理，将得到的脉冲序列经过RC平滑滤波取出其直流分量，该直流电平的幅值与两路信号的相位 差成正比，将此信号送入A/D转换器由单片机进行运算处理从而计算出相位差值。 方案二：采用脉冲填充计数法，将正弦波信号整成方波信号，其前后沿分别对应于正弦波的正相过零点与负相过零点，对两路方波信号进行异或操作之后输出脉冲序列的脉宽可以反映两列信号的相位差，以输入信号所整成的方波信号作为基频，经锁相环倍频得到的高频脉冲作为闸门电路的计数脉冲，由单片机对获取的计数值进行处理得到两路信号的相位差。 方案三：将两路被测正弦波信号整成方波信号，通过图3-5所示的鉴相器，输出一路具有不同占空比的脉冲波形。由图３-６的仿真波形可知，该脉冲信号的占空比与这两路信号 图3-5鉴相器原理图 图3-6鉴相器的仿真波形 的相位差成正比： 相位差=N1*360°/（N1+N2）(3-5)其中N1是高电平脉宽时间内的计数器，N2是低电平脉宽时间内的计数值。
全相位FFT 相位测量方法 1.基本原理 全相位数据来源为()()(),11x n N n N --≤≤-，可以认为对于时间序列中的一点()0x ，存在且只存在N 个包含该点的N 维向量： ()()()()()()()()()0110,1,,11,0,,21,2,,0T T T N x x x x N x x x x N x x N x N x -=-???? =--????=-+-+???? (1) 将(1)式中每个向量进行圆周移位把样本点()0x 移到首位，则得到另外的N 个N 维向量 ()()()()()()()()()0 1 10,1,,10,1,,10,1,,1T T T N x x x x N x x x x x x x N x -'=-???? '=-????'=-+-???? (2) 对准()0x 相加得到全相位数据向量 ()()()()()()()1 0,111,,111T AP x Nx N x x N x N N x N = -+-+-+--???? (3) 根据DFT 的移位性质，式(2)中i x '的傅里叶变换()i X k '和式(1)的i x 的离散傅里叶变换()i X k 之间有很明确的关系 ()()[]2,0,1ki j N i i X k X k e i N π'=∈- (4) 当输入序列为 ()()2/,11j mn N x n e N n N πθ+=-+≤≤- (5) 其中，s f m f N =，s f 为采样频率。式(3)对i 求和的平均即为全相位FFT 的输出，
()()()()()()()()()()()()21 1 0221100 2211 222/2/2 21 11111111sin 1sin /ki N N j N ap i i i i kn ki N N j j N N i n m k i m k n N N j j j N N i n j m k j m k j j m k N j m k N j X k X k X k e N N x n i e e N e e e N e e e N e e m k e N m k N πππππθππθππθππ--==---==-----==------'= ==-=--=---????=-???? ∑∑∑∑∑∑ (6) 由(6)式可知，全相位FFT 谱的相位值为θ，即为中心样点()0x 的理论相位值，该值与频率偏离值m-k 无关。当输入序列为 ()()()()() 2/2/cos 2/,11 1 2 j mn N j mn N x n mn N N n N e e πθπθπθ+-+=+-+≤≤-=+ (7) 根据(6)式得到其全相位FFT 为 ()()()()()22 22sin sin 112sin /2sin /j j ap m k m k X k e e N m k N N m k N θθππππ----????????=+---???????? (8) 在峰值谱线k m =处，(8)式等号右侧前项远大于后项，因此k m =处的相位即为输入序列初相θ。因此，基于全相位FFT 的相位测量流程如下图所示 图1 基于全相位FFT 的相位测量流程 2.测相性能 对()0cos 260s n x n f f π??=?+? ???，()()11N n N --≤≤- 。 （1）使用apFFT 估计相位的条件 使用apFFT 进行相位测量，需要满足条件02s f f >。 （2）数据长度与相位测量准确程度的关系 当03,12s f Hz f Hz ==，得到相位估计值与N 的关系如图
胡为东系列文章之四—— 使用力科示波器测量信号相位变化的方法 美国力科公司胡为东摘要：在实际应用中，经常会遇到相位的测量，比如说两个信号之间的相位测量，或者同一个信号在不同时刻的相位变化（如相位调制信号）。示波器是测量信号时域特征最常用的仪器，本文就基于力科示波器来介绍如何使用示波器来测量信号的相位变化。 关键词：力科相位测量相位差调制 一、两个信号之间的时延或者相位差测量 在信号完整性测试中我们经常会遇到对两个或者多个信号之间的偏移或者相位差的测量。如某个单板上多个电源信号之间的时序关系；DDR等内存测试中数据信号和时钟信号的建立时间和保持时间等时序关系等等。 图1 基本D触发器的锁存数据示意图 在一些射频应用中，也经常需要测试多个信号之间的相位差，如图1所示，为了验证一个被测件DUT的特性，采用射频信号源通过定向耦合器分成两路，一路射频信号施加到DUT上，经过示波器后连接到示波器（图中是以力科的最高实时带宽为45GHZ的实时示波器为例）的一个通道，另外一路射频信号直接进入到示波器中作为参考源，然后使用示波器观察经过DUT之前的信号和经过DUT后的信号之间的相互关系，如相位关系、时序偏差等。力科示波器中的标准测量参数中包含了相位差（phase）测量和时序偏移（skew）测量，且提供了灵活的设置，比如说边沿测量位置、是在上升沿测量还是下降沿测量、输出结果类型（绝对值、百分比、度数、弧度等），如下图2和图3所示。
图2 力科示波器中集成的相位差Phase测量和时序偏移Skew测量参数 图3 力科示波器中相位差Phase的设置项 在很多情况下，往往需要统计长时间的参数变化情况，此时可以将力科的参数追踪（Trend）以及自动保存功能（Auto save）结合起来使用，比如说我们要测量两个信号之间的相位或者时序偏移关系，且需要长时间的统计其效果，这时候我们可以先用力科示波器中的相位测量（phase）参数实现对相位差的测量，然后用Trend函数功能实现对相位测量参数的追踪，然后再选中自动保存Trend函数的功能，这时候示波器就会连续的保存参数的变化，并保存为很多个文件至示波器的硬盘上，最后测试人员可以再通过软件的方法将这些文件组合到一起（去除重合的数值，因为自动保存的多个文件的内容一般有一部分是重合的，需要将重合的部分去掉）形成一个新的长时间的参数变化曲线。
实验二：用示波器测量频率和相位 一、实验目的： 1、学会利用示波器测量频率和相位的方法； 2、比较几种测量相位的误差。 二、实验原理： 在示波器测试技术中，通常是根据周期来推算频率的。相位的测量实际是相位差的测量，因为信号Um sin（ωt十Ф）的相位（ωt十Ф）是随时间变化的，测量绝对的相位值是无意义的。因此，具有实际意义的相位测量是指两个同频率的弦信号之间的相位差的测量。 利用示波器线性扫描下的多波形显示是测量相位差最直观、最简便的方法。相位量的原理是把一个完整的信号周期定为3600，然后将两个信号在X轴上的时间差换成角度值。 李沙育图形法测相位是利用示波器X和Y通道分别输入被测信号和一个已知信号，调节已知信号的频率使屏幕上出现稳定的图形，这些图形称为李沙育图形，根据已知信号的频率（或相位）便可求得被测信号的频率（或相位）李沙育图形法既可测量频率又可测量相位。 三、实验设备： 1、函数信号发生器，型号YB1638，指标：0.2Hz-2MHz，数量1台； 2、双踪示波器，型号YB4360，指标：DC--60MHz，数量1台。 四、实验预习要求： 1、复习好《电子测量》中示波测量技术的有关章节。 2、参照仪器使用说明书，了解函数信号发生器、双踪示波器的各旋钮、开关的作用。 五、实验步骤 1．用双踪示波法测量相位 将欲测量的两个信号A和B分别接到示波器的两个输入通道，示波器设置为双踪显示方式，调节有关旋钮，使荧光屏上显示两条大小适中的稳定波形，先利用荧光屏上的坐标测出信号的一个周期在水平方向上所占的长度，然后再测量两波形上对应点（如过零点、峰值点等）之间的水平距离，则两信号的相位差为： ΔФ=(x/x T)×3600 式电X为两波形上对应点之间的水平距离；X T为被测信号的一个周期在水平方向上所占的距离。为减小测量误差，还可取波形前后测量的平均值，用这种方法测相位差时应该注意，只能用其中一个信号去触发另一路信号，最好选择其中幅度较大的那一个，而不要用多个信号分别去触发，以便提供一个统一的参考点进行比较。 尽管可以采用一些措施减小误差，但由于光迹的聚焦不可能非常细，读数时又有一定误差，使用双踪示波法测量相位差的准确度是不高的，尤其是相位差较小时误差更大。 2．用李沙育图形法测量频率或相位 （1）测量频率： 李沙育图形法测量频率时，示波器工作于X—Y方式下，频率已知的信号与频率未知的信号加到示波器的X、Y两个输人端，调节已知信号的频率，使荧光屏上得到李沙育图形，由此可测出被测信号的频率。 示波器工作于X—Y方式时，X和Y两信号对电子束的使用时间总是相等的，而且X
如何使用相关技术测量相位差 测量两个周期信号之间的相位差通常需要采用诸如气象、计算和通信 等方面的科学技术。示波器提供了执行这种测量的快速简单方法。遗憾的是， 示波器的噪声、带宽和时间分辨率会限制其测量的精度。 示波器的采样率决定了其时间分辨率的大小。例如对于一个100MHz 的信号来说，相位上的1 度相当于时间上的27ps。很明显，对于1 度的相位测量精度，示波器的采样时间必须小于这个数值，因此采样率要求高于36GHz，这个数字已经超出了大多数示波器的指标范围。为了演示这种测量方法，我们选 用了Analog Arts 的SA985 USB 示波器，这种示波器具有100GHz 的采样率和1GHz 的带宽。你可以选用满足你应用时间要求的任何示波器开展这种测量。 就是有了合适的示波器，你也必须使用专门的技术才能获得精确的相位测量结果。 示波器的时间标线（人们经常用利萨茹曲线（对信号执行数学运算可以 增强相位测量性能。参考文献1、2 和3 中描写的技术就是这种运算操作的一 些例子。虽然每种方法可能适合某些应用，但测量结果还受到本文讨论范围之 外的其它多种因素影响。此外，这些技术大部分是针对正弦信号的。在诸如测 量FPGA 内部锁相环（PLL）产生的各种时钟相位性能等应用中，这些技术精度明显不高。 一种简单且精确的方法是对信号进行相关运算。相关运算是一种直接的 数学操作。有许多论文（参考文献4）对相关操作及其应用作过全面彻底的解释。由Aanlog Arts 公司开发的一种C#算法就是这种技术的一种实现。相关运算的一个关键优势在于能够发现大多数其它类型信号之间的相位差。这种技术 可以达到的精度主要受限于信号周期的相对精度和示波器的采样率。对于采样
第二章 频率、时间和相位的测量 2.1 频率的测量 2.1.1 频率的模拟测量 一、直读法 1．平衡电桥法 图2-1-1 电桥平衡条件：4 3221 1)1 )( 1(R R c j R c j R x x =++ ωω 实部相等 4 3 2121R R C C R R = +， 虚部相等 01 1221=- x x C R C R ωω ，即 2 1211c c R R x = ω 取 C C C R R R ====2121 则须 432R R =，Rc f x π21 = 在432R R =条件下，R 调节旋纽按频率刻度，可从刻度上直接读得被测信号频率fx 。 2．谐振法 图2-1-2 LC f x π21= 变电感——改变频段（频率粗调） 调电容——频率细调（电容旋纽按频率刻度） 3．频率电压转换法 图2-1-3 x m x m B f U T U u U ??=?= =ττ 0 电压表接频率刻度 二、比较法 1、 拍频法 2、 差频法 三、示波法 1、测被测信号周期——被测信号加Y 通道，扫描信号加X 通道 2、观察李沙育图形：被测信号加Y 通道、标准信号加X 通道 2.1.2 频率（周期）的数字测量 x x T f 1= 一、计数法测量的基本原理 图2-1-4，图2-1-5 21t t NT T A ?-?+==][2 1A A T t t N T ?-?+ ][N N T A ?+=
A T t t N 2 1?-?= ? A A T t T t ≤?≤≤?≤2100 当21t t ?=?时，0=?N 当A T t =?1，02=?t 时，1=?N 当01=?t ，A T t =?2时，1-=?N 脉冲计数最大绝对误差（量化误差）1=?N 脉冲计数最大相对误差 T T N N N A ±=±=?1 二、通用计数器的基本组成及工作方式 1、基本组成 图2-1-6 B mT T = 所以 B A A B A f f m T T m T T N === m ——分频系数 三、频率（周期）的测量误差与测量范围 1．“测频”方式 m Nf f c x = 所以c c x x f f N N f f ?+?=? c c f f ?——标准频率准确度 ①最大相对误差：|)|(|)|1 ()( max c c x c c c x x f f mf f f f N f f ?+±=?+±=? ②测量范围max min ~x x f f 1°上限max x f 受计数器容量和速度限制 （a ） max N f mf N c x ≤= c x f m N f m a x ≤∴
实验二相位差测量 一、实验目的 1、掌握将相位差转换为电压的原理。 2、掌握脉冲电压的脉宽与电压平均值成正比的原理。 3、掌握磁电系仪表的基本读数是电流（电压）的平均值。 4、了解硬件电路的设计方法和基本的硬件调试方法。 二、实验类型 综合型 三、实验仪器 四、实验原理 1、原理图
Y 图1 相位表原理图 2、 电路原理 此电路可以检测-180--+180的相位差。两路输入信号Y1、Y2经整形后成为两路与原信号同频率同相位的方波。方波送入异或门CD4070，CD4070的输出是电压脉冲，脉冲宽度与输入信号的相位差绝对值成正比。用磁电式仪表测CD4070的输出电压（根据磁电系仪表的原理，测量值为电压的平均值），测量值Uo 与脉冲宽度成线性关系。因此可得Uo 与输入信号的相位差绝对值成正比。输入信号的超前、滞后由LED 显示，当Y1超前Y2时，LED1亮；当Y1滞后Y2时，LED2亮。 3、 相位差与时间差的关系 360?=T Δt φ 4、 脉冲电压的平均值与脉宽成正比 T U a dt U T dt u T U H a H T av ===??0 011 其中：a ——脉宽。T ——脉冲电压周期。U H ——脉冲电压高电平。 5、 磁电系电压表的读数是电压的平均值。 五、实验内容和要求 1、内容和要求
搭出相位差测量电路，并在具体电路上验证，调系数。具体要求：掌握基本的硬件插接技术，布线必须正确、接触良好，其次要求布线合理、清晰、美观。 2、测量数据 构造如图2所示的电路，信号发生器产生频率为100Hz 的正弦波，调节RC 参数可以改变Y1（电源电压）与Y2（电阻电压，与回路电流同相位）之间的相位差，记为0j 。Y1和Y2作为相位表的输入信号，用磁电系电压表（或万用表测量）测量相位表的输出电压，当输出电压测出后，脉宽a 就可以算出来，a 算出来后，相位差也就可以算出来，记为1j ，比较0j 和1j 。记录发光二极管（LED ）的状态，用以确定两路正弦信号的相位关系（超前/滞后）。 表1 阻抗角测量记录表格 Vcc 图2 用相位表测量阻抗角 3、硬件调试方法 制作硬件时，若输出电压值或LED 的状态不正确，需调试硬件电路，找出错误并改正。建议采用以下方法调试硬件： （1）用电压表测量各点电压，或者用示波器观察各点波形。
一二测量相位差的方法主要有哪些？ 测量相位差可以用示波器测量，也可以把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔，再换算为相位差，可以把相位差转换为电压，先测量出电压，再换算为相位差，还可以与标准移相器进行比较的比较法(零示法)等方法。 怎么用示波器来测量相位差? 应用示波器测量两个同频正弦电压之间的相位差的方法很多，本节介绍具有实用意义的直接比较法。将u1、u2分别接到双踪示波器的Y1通道和Y2通道，适当调节扫描旋钮和Y增益旋钮，使荧光屏显示出如图2.42所示的上、下对称的波形。 比较法测量相位差 设u1过零点分别为A、C点，对应的时间为t A、t C；u2过零点分别为B、D点，对应的时间为t B、t D。正弦信号变化一周是360°，u1过零点A比u2过零点B提前t B-t A出现，所以u1超前u2的相位。 u1超前u2的相位，即u1与u2的相位差为 (2.56) T为两同频正弦波的周期; ΔT为两正弦波过零点的时间差。 数字式相位计的结构与工作原理是什么?
三数字相位计框图 将待测信号u1(t)和u2(t)经脉冲形成电路变换为尖脉冲信号，去控制双稳态触发电路产生宽度等于ΔT的闸门信号以控制时间闸门的启、闭。晶振产生的频率为fc的正弦信号，经脉冲形成电路变换成频率为fc的窄脉冲。 在时间闸门开启时通过闸门加到计数器， 得计数值n，再经译码，显示出被测两信号的相位差。这种相位计可以测量两个信号的“瞬时”相位差，测量迅速，读数直观、清晰。 数字式相位计称做“瞬时”相位计，它可以测量两个同频正弦信号的瞬时相位，即它可以测出两同频正弦信号每一周期的相位差。 基于相位差转换为电压方法的模拟电表指示的相位计的测量原理是什么? 如图2.44所示，利用非线性器件把被测信号的相位差转换为电压或电流的增量，在电压表或电流表表盘上刻上相位刻度，由电表指示可直读被测信号的相位差。转换电路常称做检相器或鉴相器。常用的鉴相器有差接式相位检波电路和平衡式相位检波电路两种。 数字相位计框 图
基本原理 相位式激光测距是通过测量连续的调制光波往返距离产生的相位延迟,间接的测定光在空气中往返于待测目标间的飞行时间,从而求出被测距离。 由激光调制发射系统、反射器、光电探测接收系统、频率综合部分(本振信号产生)、相位测量、以及显示部分组成。 由于测距的调制信号频率比较高,如果直接测量相位信息,则对测相芯片的分辨率要求比较高,而且误差比较大。因此通常测距仪都采用了混频测相的方式对,高频信号与本振信号进行差频然后得到中低频信号,进行相位比较,后续通过AD转换和单片机把相位差信息转换成我们所需要的距离信息并且显示出来。
频率选择 根据测距仪的设计需要,比如:测量精度、量程、计算简便,选择合适的测尺频率。测尺频率可由下式确定: 相位测量技术 相位式激光测距仪中测距光波被接收以后通过测量相位差来计算光波飞行时间,因此相位测量是测距仪中关系到测距精度的一个关键部分。 主要的数字相位测量方法有以下几种:自动数字测相、欠采样同步检测法、向量内积法。
由于相位式激光测仪的测距要求精度比较高,测距光波的调制频率比较高,因此 直接进行相位测量,则对器件的要求比较高,现在一般都釆用混频的方式与数字检相搭配使用,这样可以先把高频信号差频成中频或低频信号,然后再进行相位比较。 激光测距仪的总体设计 1)采用波长为650mn的半导体激光器做光源,雪崩二极管做光电探测器; 2)选用单一的直接测尺方式,测尺频率为lOMHz ,本地振荡信号频率为 9.995MHz; 3)用AD8002A做光电探测器前置放大电路和带通滤波器; 4)用于测相的混频输出信号为5KHz,理论测尺长度为15米。测相精度在毫