CN105158714A - 90度相位标准电路及获得90度相位标准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种90度相位标准电路，包括交流电源、分压器、积分电路、微分电路和反相加法电路，所述交流电源通过分压器分出两个幅值相等、相位相反的第一输出电压和第二输出电压，所述积分电路的输入端与第一输出电压连接，输出端与所述反相加法电路的一输入端连接，所述微分电路的输入端与第二输出电压连接，输出端与所述反相加法电路的另一输入端连接，所述反相加法电路根据其两个输入端的电压获得与所述第一输出电压相位差为90度的输出电压。本发明消除了电阻时间常数和电容损耗因数的影响，获得了高准确度的90度相位信号。

Description

90度相位标准电路及获得90度相位标准的方法

技术领域

本发明属于电磁测量领域，尤其是一种90度相位标准电路及获得90度相位标准的方法。

背景技术

相位是电磁测量领域最重要的参数之一，其测量准确度对功率、电能等的测量有重要影响。交流电路中的元件并非理想元件，测量电压和电流所用的分压器、分流器、互感器等均存在一定角差，使被测信号产生一定相移，从而影响了功率测量准确度，且随着线路功率因数的降低，角差对功率测量准确度的影响更为显著。目前，广泛使用的相位表、频率分析仪、标准电能表等的相位测量准确度不断提高，因而需要更高准确度和稳定性的相位标准对其进行校准。

传统的相位标准源利用无源器件构成的移相网络实现，通过调节电阻、电容等模拟元器件的值实现相位的调整，而模拟器件受温度、湿度等环境条件的影响较大，且稳定性也难以保证，故传统相位标准源的移相准确度受到限制；数字技术的发展出现了基于数字波形合成技术的相位标准源，它建立在数字采样理论的基础上，直接从相位概念出发把一系列数字形式的信号通过DAC转换成模拟信号，相对于传统的相位标准源，它的稳定性、准确度得到大大提高。

目前准确度最高的相位标准源最大允许误差仅为±0.005°，且价格昂贵。针对低功率因数下相位的校准，有必要提供一种高准确度的相位标准的设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种90度相位标准电路及获得90度相位标准的方法，以解决现有的相位标准源成本高、准确度差的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种90度相位标准电路，包括交流电源、分压器、积分电路、微分电路和反相加法电路，所述交流电源通过分压器分出两个幅值相等、相位相反的第一输出电压和第二输出电压，所述积分电路的输入端与第一输出电压连接，输出端与所述反相加法电路的一输入端连接，所述微分电路的输入端与第二输出电压连接，输出端与所述反相加法电路的另一输入端连接，所述反相加法电路根据其两个输入端的电压获得与所述第一输出电压相位差为90度的输出电压。

进一步地，所述积分电路包括第一运算放大器、第一电阻和第一电容，所述微分电路包括第二运算放大器、第一电阻和第一电容。

进一步地，所述反相加法电路包括第三运算放大器和三个第二电阻，一个所述第二电阻设置在第三运算放大器的反相端入端和输出端之间，其他两个所述第二电阻分别设置在积分电路的输出端与第三运算放大器的反相输入端之间及微分电路的输出端与第三运算放大器的反相输入端之间。

进一步地，所述分压器为感应分压器、电阻分压器或电容分压器。

本发明还提供了一种获得90度相位标准的方法，设置包括交流电源、分压器、积分电路、微分电路和反相加法电路的电路，所述交流电源通过分压器分出两个幅值相等、相位相反的第一输出电压和第二输出电压，所述积分电路的输入端与第一输出电压连接，输出端与所述反相加法电路的一输入端连接，所述微分电路的输入端与第二输出电压连接，输出端与所述反相加法电路的另一输入端连接，所述反相加法电路根据其两个输入端的电压获得与所述第一输出电压相位差为90度的输出电压。

进一步地，所述积分电路包括第一运算放大器、第一电阻和第一电容，所述微分电路包括第二运算放大器、第一电阻和第一电容，，选取第一电阻和第一电容使得ωR_SC_S＝1,ω为角频率，R_S为所述第一电阻的电阻实际值，C_S为所述第一电容的电容实际值，进而使得在满足ωR_SC_S＝1的角频率时，所述反相加法电路的输出端的输出电压与所述第一输出电压的相位差为90度。

进一步地，所述反相加法电路包括第三运算放大器和三个第二电阻，一个所述第二电阻设置在第三运算放大器的反相端入端和输出端之间，其他两个所述第二电阻分别设置在积分电路的输出端与第三运算放大器的反相输入端之间及微分电路的输出端与第三运算放大器的反相输入端之间。

进一步地，所述分压器为感应分压器、电阻分压器或电容分压器。

本发明提供了一种90度相位标准电路及获得90度相位标准的方法，消除了电阻时间常数和电容损耗因数的影响，获得了高准确度的90度相位信号，而且，输出电压的幅值稳定，不随频率变化。

附图说明

图1为本发明实施例提供的90度相位标准电路的原理图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明实施例提供了一种90度相位标准电路，包括交流电源Us、分压器Ts、积分电路、微分电路和反相加法电路，所述交流电源Us通过分压器Ts分出两个幅值相等、相位相反的第一输出电压U1和第二输出电压U2，所述积分电路的输入端与第一输出电压U1连接，输出端与所述反相加法电路的一输入端连接，所述微分电路的输入端与第二输出电压U2连接，输出端与所述反相加法电路的另一输入端连接，所述反相加法电路根据其两个输入端的电压获得与所述第一输出电压相位差为90度的输出电压U3。

在本实施例中，所述积分电路包括第一运算放大器A1、第一电阻R和第一电容C，所述微分电路包括第二运算放大器A2、第一电阻R和第一电容C。

在本实施例中，所述反相加法电路包括第三运算放大器A3和三个第二电阻R1，一个所述第二电阻R1设置在第三运算放大器A3的反相端入端和输出端之间，其他两个所述第二电阻R1分别设置在积分电路的输出端与第三运算放大器A3的反相输入端之间及微分电路的输出端与第三运算放大器A3的反相输入端之间。

所述分压器为感应分压器、电阻分压器或电容分压。在本实施例中，所述分压器采用感应分压器，并具有三个电压输出端子，中间电压端子接地，另外两个电压端子处的第一输出电压U1和第二输出电压U2的幅值相等，相位相反，因此，

U₁＝-U₂

积分电路的输出信号Uo1为：

$U_{o1}=-\frac{U_1}{j\mathrm{\ω}CR}$

式中，ω为角频率。

微分电路的输出信号Uo2为：

U_o2＝-jωCRU₂

反相加法电路的输出电压U3为：

U₃＝-(U_o1+U_o2)

结合以上三式可得：

$U_3=-{\mathrm{jU}}_1(\mathrm{\ω}RC+\frac{1}{\mathrm{\ω}RC})$

第一电阻R存在时间常数，第一电容C存在损耗因数，均会产生相移，设

R＝R_S(1+jα)

C＝C_S(1+jβ)

式中，R_S为电阻实际值，α为时间常数引起的角差，C_S为电容实际值，β为电容损耗引起的角差，综合上述公式可得：

$U_3=-{\mathrm{jU}}_1\[{\mathrm{\ωR}}_S{C}_S(1+j\mathrm{\α}+j\mathrm{\β}-\mathrm{\α}\mathrm{\β})+\frac{1}{{\mathrm{\ωR}}_S{C}_S(1+j\mathrm{\α}+j\mathrm{\β}-\mathrm{\α}\mathrm{\β})}\]$

选取合适的第一电阻R和第一电容C，使得：

ωR_SC_S＝1

α和β均为极小量，则：

U₃≈-jU₁[(1+jα+jβ-αβ)+(1-jα-jβ+αβ)]＝-j2U₁

则电路输出电压U3幅值为第一输出电压U1的两倍，相位延迟90°。由此得到准确的90°相位标准。

本发明实施例还提供了一种获得90度相位标准的方法，包括：设置包括交流电源Us、分压器Ts、积分电路、微分电路和反相加法电路的电路，所述交流电源Us通过分压器Ts分出两个幅值相等、相位相反的第一输出电压U1和第二输出电压U2，所述积分电路的输入端与第一输出电压U1连接，输出端与所述反相加法电路的一输入端连接，所述微分电路的输入端与第二输出电压U2连接，输出端与所述反相加法电路的另一输入端连接，所述反相加法电路根据其两个输入端的电压获得与所述第一输出电压U1相位差为90度的输出电压U3。

在本实施例中，所述积分电路包括第一运算放大器A1、第一电阻R和第一电容C，所述微分电路包括第二运算放大器A2、第一电阻R和第一电容C，第一电阻R的电阻实际值为Rs，第一电容C的电容实际值为C_S，选取第一电阻R和第一电容C使得ωR_SC_S＝1,ω为角频率，进而使得在满足ωR_SC_S＝1的角频率时，所述反相加法电路的输出端的输出电压与所述第一输出电压U1的相位差为90度。

在本实施例中，所述反相加法电路包括第三运算放大器A3和三个第二电阻R1，一个所述第二电阻R1设置在第三运算放大器A3的反相端入端和输出端之间，其他两个所述第二电阻R1分别设置在积分电路的输出端与第三运算放大器的反相输入端之间及微分电路的输出端与第三运算放大器A3的反相输入端之间。

所述分压器为感应分压器、电阻分压器或电容分压器。在本实施例中，所述分压器采用感应分压器，并具有三个电压输出端子，中间电压端子接地，另外两个电压端子处的第一输出电压U1和第二输出电压U2的幅值相等，相位相反，因此，

U₁＝-U₂

积分电路的输出信号Uo1为：

$U_{o1}=-\frac{U_1}{j\mathrm{\ω}CR}$

式中，ω为角频率。

微分电路的输出信号Uo2为：

U_o2＝-jωCRU₂

反相加法电路的输出电压U3为：

U₃＝-(U_o1+U_o2)

结合以上三式可得：

$U_3=-{\mathrm{jU}}_1(\mathrm{\ω}RC+\frac{1}{\mathrm{\ω}RC})$

第一电阻R存在时间常数，第一电容C存在损耗因数，均会产生相移，设

R＝R_S(1+jα)

C＝C_S(1+jβ)

式中，R_S为电阻实际值，α为时间常数引起的角差，C_S为电容实际值，β为电容损耗引起的角差，综合上述公式可得：

$U_3=-{\mathrm{jU}}_1\[{\mathrm{\ωR}}_S{C}_S(1+j\mathrm{\α}+j\mathrm{\β}-\mathrm{\α}\mathrm{\β})+\frac{1}{{\mathrm{\ωR}}_S{C}_S(1+j\mathrm{\α}+j\mathrm{\β}-\mathrm{\α}\mathrm{\β})}\]$

选取合适的第一电阻R和第一电容C，使得：

ωR_SC_S＝1

α和β均为极小量，则：

U₃≈-jU₁[(1+jα+jβ-αβ)+(1-jα-jβ+αβ)]＝-j2U₁

则电路输出电压U3幅值为第一输出电压U1的两倍，相位延迟90°。由此得到准确的90°相位标准。

此外，在本实施例中，第一电阻R为标准交流电阻，其电阻实际值为10kΩ，第二电容C为标准电容，其电容实际值为10nF，电路工作频率为1592Hz时，满足ωR_SC_S＝1，此时，可以获得的电路输出电压U3与第一输出电压U1的相位差即为90°相位标准。

本发明提供了一种90度相位标准电路及获得90度相位标准的方法，消除了电阻时间常数和电容损耗因数的影响，获得了高准确度的90度相位信号，而且，输出电压的幅值稳定，不随频率变化。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种90度相位标准电路，其特征在于，包括交流电源、分压器、积分电路、微分电路和反相加法电路，所述交流电源通过分压器分出两个幅值相等、相位相反的第一输出电压和第二输出电压，所述积分电路的输入端与第一输出电压连接，输出端与所述反相加法电路的一输入端连接，所述微分电路的输入端与第二输出电压连接，输出端与所述反相加法电路的另一输入端连接，所述反相加法电路根据其两个输入端的电压获得与所述第一输出电压相位差为90度的输出电压。

2.如权利要求1所述的90度相位标准电路，其特征在于，所述积分电路包括第一运算放大器、第一电阻和第一电容，所述微分电路包括第二运算放大器、第一电阻和第一电容。

3.如权利要求1所述的90度相位标准电路，其特征在于，所述反相加法电路包括第三运算放大器和三个第二电阻，一个所述第二电阻设置在第三运算放大器的反相端入端和输出端之间，其他两个所述第二电阻分别设置在积分电路的输出端与第三运算放大器的反相输入端之间及微分电路的输出端与第三运算放大器的反相输入端之间。

4.如权利要求1所述的90度相位标准电路，其特征在于，所述分压器为感应分压器、电阻分压器或电容分压器。

5.一种获得90度相位标准的方法，其特征在于，包括：设置包括交流电源、分压器、积分电路、微分电路和反相加法电路的电路，所述交流电源通过分压器分出两个幅值相等、相位相反的第一输出电压和第二输出电压，所述积分电路的输入端与第一输出电压连接，输出端与所述反相加法电路的一输入端连接，所述微分电路的输入端与第二输出电压连接，输出端与所述反相加法电路的另一输入端连接，所述反相加法电路根据其两个输入端的电压获得与所述第一输出电压相位差为90度的输出电压。

6.如权利要求5所述的获得90度相位标准的方法，其特征在于，所述积分电路包括第一运算放大器、第一电阻和第一电容，所述微分电路包括第二运算放大器、第一电阻和第一电容，选取第一电阻和第一电容使得ωR_SC_S＝1,ω为角频率，R_S为所述第一电阻的电阻实际值，C_S为所述第一电容的电容实际值，进而使得在满足ωR_SC_S＝1的角频率时，所述反相加法电路的输出端的输出电压与所述第一输出电压的相位差为90度。

7.如权利要求5所述的获得90度相位标准的方法，其特征在于，所述反相加法电路包括第三运算放大器和三个第二电阻，一个所述第二电阻设置在第三运算放大器的反相端入端和输出端之间，其他两个所述第二电阻分别设置在积分电路的输出端与第三运算放大器的反相输入端之间及微分电路的输出端与第三运算放大器的反相输入端之间。

8.如权利要求5所述的获得90度相位标准的方法，其特征在于，所述分压器为感应分压器、电阻分压器或电容分压器。