如何使用示波器测量计算信号的相位变化

我们在测试测量工作中往往需要描述所有周期性信号，这时我们会使用幅度和相位来进行，那么信号通过电路网络时必须计算信号的相位变化，这时我们可以使用示波器测量相位变化。

周期性波形的相位描述了某个时间点的特定位置，图1标出了一些重要的相位点：最大幅度，最小幅度以及正向和负向过零点，波形的相位是周期性的，波形的完整周期被定义为具有360°或2π弧度的相位。

图1周期性正弦波上的重要相位点是峰值和过零点

相位差或相位角是两个相位点之间的相位差，通常在具有相同频率的两个不同波形上，通常，我们对信号通过电路、线缆、连接器或PCB之前和之后的相位差感兴趣。具有超前相位的波形具有比其相对波形更早出现的特定相位点，当信号通过一个电容时就是这种情况：输出电流将比输出电压超前90o，相反，具有滞后相位的波形具有比相对波形更晚出现的相位点，如果两个信号的相位相差180°，则说两个信号相反，相位相差±90°的信号是相位正交的。

使用延迟时间测量的相位差

通过找到两个波形之间的时间延迟及其周期，可以在示波器上测量相位差，可以使用示波器的光标完成此操作。如图2所示，其中相对光标测量两个10 MHz正弦波的最大值之间的时间差，屏幕右下角的光标时间读数显示延迟为10 ns，也可以使用光标测量周期，相位差（以度为单位）可使用以下公式确定：Φ = td/tp ×360 = 10 ns/100 ns × 360o = 36o其中：td是波形之间的延迟，tp是波形的周期

图2使用示波器光标测量两个波形上相同相位点之间的时间延迟

这种技术延续于模拟示波器，也适用于数字示波器（DSO），但测量精度非常依赖于光标的手动放置。

相位测量参数DSO

通过直接提供相位测量参数来简化相位测量，基于测量波形的延迟和周期，可以设置每个波形的测量阈值和斜率，相位测量与前一部分中使用的方法相同，应用插值以确保测量的相位点的准确定位，使用示波器内置测量参数的优势在于它避免了光标放置的错误，相位可以以度、弧度或周期百分比为单位读出，图3提供了相位测量的示例。

图3使用相位测量参数：参数P1（左下角）显示带有统计数据的相位信息使用屏幕左下角的参数P1执行相位测量，示波器执行进行“所有数据”测量，这意味着示波器会测量采集的屏幕上每个周期的相位，可用的大量相位测量支持测量统计，如图3所示，测量统计显示最近的测量，所有测量的平均值、最大值和最小值、标准偏差以及统计数据包含的测量数量。关键的统计读数是平均值和标准偏差，平均值是所有测量值的平均值，标准偏差是测量中不确定度的度量，在此示例中，平均值为36o，标准偏差为0.747o。该测量中的大部分不确定性是波形上垂直噪声的函数，平均值通过平均测量值来降低噪声，通过降低示波器前端的带宽可以进一步降低噪声。

动态相位测量

有时相位差不是静态的，需要表征信号相位变化，例如相位调制载波，这种类型的测量依赖于参数时序测量的“所有数据”特性，测量波形的每个周期的相位。可以使用趋势图或追踪图显示动态信息，趋势图是将所有测量值组合在一起的波形。另一方面，追踪图将测量值绘制为时间的函数，与源波形保持时间同步。因此，如果其中一个波形是相位调制的，可以获得瞬时相位的逐周期图，如图4所示。图4中上部波形C1是10MHz载波，通过100kHz正弦波进行相位调制（PM），波形C2（从顶部开始的第二个）是10MHz正弦波，没有调制。相位测量参数读取两个波形之间的相位差，测量的每周期相位差绘制在从顶部向下第三个波形（F1）中作为相位测量参数的追踪图，并且示出相位差与时间的关系，实质上，这解调了PM波形。请注意，除了打开测量统计数据外，示波器还会显示相位参数的histicon（直方图图标），该histicon显示了相位值直方图的微缩版本，指向histicon并单击结果，在底部显示相位差的满量程直方图，直方图将幅度范围分成用户设定的“箱”数。绘制每个箱内的测量值的数量（垂直标度）与测量值（水平标度）的关系，鞍形直方图是典型的正弦信号，追踪图中的台阶数和直方图中的间隙是源波形的每个周期的相位差值保持固定值的结果。

图4利用参数Track功能（波形F1）进行动态相位差测量，以显示作为时间函数的相位差周期变化相位参数读出的最小值和最大值提供整个调制周期内的相位偏移的范围。

其他相位测量技术

相位参数在时域中测量相位，并且依赖于检测穿越用户设定电压阈值的波形转变，来自信号源和示波器本身的附加垂直噪声限制了该测量的准确性，可以通过限制示波器的带宽来提高信噪比，从而使测量的标准偏差值更小，从而获得更准确的读数，通过进行多次测量并使用测量的平均值而不是瞬时值来进一步提高精度。还可以通过计算输入信号频率处的单点离散傅立叶变换（DFT）并读取FFT的相位来在频域中进行相位测量，这是示波器可选的测量参数窄带相位（nbph），图5同时显示了使用相位参数和nbph测量相位差， Nbph在参数光标之间波形数据的第一个数据点处读取指定频率的信号的相位，如果参数光标在其默认位置，则将读取波形数据中第一个点的相位，由于我们对两个信号之间的相位差感兴趣，因此需要进行两次nbph测量，在图5中，我们分别使用P2和P3测量C1和C2波形的nbph，使用参数函数在P4中取得相位差，得到nbph差值为36.000o，相位参数读数为35.993o。注意，nbph测量的标准偏差明显低于相位参数的标准偏差，这是因为对于1000周期的采集长度，nbph测量具有更窄的测量带宽（105kHz），请记住，nbph是一个示波器可选参数。

图5比较nbph和相位测量参数的相位差测量结果，显示nbph方法的性能稍好一些经典的相位测量- Lissajous模式对于那些曾经使用过模拟示波器的工程师，可能还记得使用经典的Lissajous模式来测量相位差，可以通过在示波器的X-Y显示上交叉绘制两个波形来测量，如图6所示，在该图中，通道1（C1）上的波形提供水平或X轴，通道2（C2）提供垂直偏转，Lissajous模式通过X-Y图的形状表示相位差，直线表示相位差为0o或180o，而圆圈表示相差90o，相位差处于这些值之间时显示为椭圆，并且通过测量最大垂直偏转和水平偏转为0时的垂直偏转来确定相位，在图6中，用光标在X-Y图上标记这两个位置。

图6使用经典的Lissajous模式可以测量两个正弦波之间的相位差光标还会追踪显示X和Y波形的信息，2个通道描述符中的光标读数显示了计算相位差所需的值。Φ2 - Φ1 = ±sin −1 （Yx=0/Ymax） 椭圆顶部位于第一象限Φ2 - Φ1 = ±［180-sin −1（Yx=0/Ymax） 椭圆顶部位于第二象限在本示例中，Ymax 等于150 mV， Y X=0 等于 89.1，椭圆的顶部位于第一象限：Φ2 - Φ1 = ±sin −1 （89.1/150） = ± sin −1 （0.594） =36.44oLissajous模式仍然可以用在现代数字示波器上，如图6所示。这种方法的准确性取决于光标的位置，但它以直观的方式产生了合理的结果。

总结一下：DSO提供多种测量相位差的技术，时域中的直接测量支持相位的静态和动态测量。基于频域的nbph为静态相位测量提供了更准确的结果，但需要可选的软件。