CN105699772A - 一种正交基准相位的验证方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种正交基准相位的验证方法及其装置，具体验证方法为：第一步，标准相位源输出标称90°或270°的正交向量电压U₁和U₂；第二步，用相位采样测量系统测量上述正交向量电压，采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₁，采样测量系统的电压通道2测量向量电压U₂，相位采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差为第三步，互换采样测量系统的电压通道，并改变测量向量电压U₁的方向，相位采样测量系统测得U₂和-U₁之间的相位差为第四步，正交相位误差计算，设相位采样测量系统的正交相位测量误差为δ，设标准相位源标称正交输出相位误差为并根据上述两个相位差的值构建两个二元一次方程，则可计算出正交相位误差值δ和

Description

一种正交基准相位的验证方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种测量方法和装置，尤其涉及一种正交基准相位的验证方法及其装置。

背景技术

在交流阻抗、交流功率等交流测量领域，最关键的是两个正交参考标准的获得。早期采用高Q值(或已知Q)的互感器、低损耗因数(或已知低损耗因数)的电容器、低时间常数(或已知时间常数)的交流电阻器等，或它们之间的某种组合，产生已知的模拟参考相角标准。随着数字测量技术的发展，在许多数字测量仪器中，采用数字移相技术产生正交的参考信号。在基于DFT的交流电量测量过程中，为了获得傅立叶系数，使用两个正交数字参考信号：sinkωt和coskωt，它比模拟正交参考标准具有更准确的特性。在精密测量(计量)中，正交参考信号的正交性如何需要实验方法进行验证。

目前0°和180°参考相位的验证方法比较简单，国内外都是采用校准装置测量同一信号同向(同相0°)和反向(反相180°)后与理论值比较。但90°参考相位验证比较复杂，国外(包括国内中国计量科学研究院)有采用传统的RC移相器方法进行验证。设计一个如图1电路。

图中标准电阻器的等效阻抗为：

Z_Req＝R+jω(L-R²C)(1)

标准电容器的等效阻抗为：

$Z_{Ceq}=R_C+{\mathrm{j\ωL}}_C+\frac{1}{G+j\mathrm{\ω}C}=R_S+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_S}---\left(2\right)$

移相器的总阻抗为：

$Z_{\mathrm{Re}q}=R+R_S+j\left(\mathrm{\ω}\right(L_R-R^2{C}_R)-\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_s})---\left(3\right)$

图中的标准电阻器的直流电阻、寄生电感和寄生电容以及标准电容器的标准电容值和损耗值通过阻抗测量仪测量得到。最后通过式(3)计算出一个移相器的理论移相角与采样系统的采样计算得到了移相角进行比较。

由于电容的损耗、电阻时间常数、寄生电感、寄生电导等参数是标准电容器和电阻器的寄生参数，对相移器的相移起决定作用，这些参数本身就无法准确测量，而且受内部连接线的影响，RC移相器的实际相移是无法准确测得的。计算得到移相器的理论移相角的不确定度很大，因此该方法只能在毫度量级进行验证。

发明内容

本发明目的在于提供一种对于微度量级的高准确度正交基准相位的验证方法及其装置。具体而言提供

一种正交基准相位的验证方法，包括标准相位源和相位采样测量系统，其特征在于：该相位采样测量系统包括两个双通道采样卡、控制器和时钟，其中两个双通道采样卡构成相位采样测量系统两个电压通道。具体验证方法为：

第一步，标准相位源输出标称90°或270°的正交向量电压U₁和U₂；

第二步，用相位采样测量系统测量上述正交向量电压，采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₁，采样测量系统的电压通道2测量向量电压U₂，相位采样测量系统测得到向量电压U₁和U₂之间的相位差；

第三步，互换采样测量系统的电压通道，并改变测量向量电压U₁的方向，用相位采样测量系统再次测得标准相位源输出的上述正交向量电压，即采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₂，采样测量系统的电压通道2测量向量电压-U₁，相位采样测量系统测得到U₂和-U₁之间的相位差；

第四步，正交相位误差计算，由于相位差减去相位测量误差的值与正交角度值减去输出相位误差的值相等，通过将上述两个相位差与相位采样测量系统的正交相位测量误差以及标准相位源标称正交输出相位误差构成两个二元一次方程，则可计算出正交相位误差值正交相位测量误差及标准相位源标称正交输出相位误差。

本发明还提供一种正交基准相位的验证方法，包括标准相位源和相位采样测量系统，其特征在于：该相位采样测量系统包括两个双通道采样卡、控制器和时钟，其中两个双通道采样卡构成相位采样测量系统两个电压通道。具体验证方法为：

第一步，标准相位源输出标称90°的正交向量电压U₁和U₂；

第二步，用相位采样测量系统测量上述正交向量电压，采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₁，采样测量系统的电压通道2测量向量电压U₂，相位采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差为

第三步，互换采样测量系统的电压通道，并改变测量向量电压U₁的方向，用相位采样测量系统再次测得标准相位源输出的上述正交向量电压，即采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₂，采样测量系统的电压通道2测量向量电压-U₁，相位采样测量系统测得U₂和-U₁之间的相位差为

第四步，正交相位误差计算，设采样测量系统的90°正交相位测量误差为δ₁，设标准相位源标称90°正交输出相位误差为 为相位测量系统测量被测向量电压U₁和U₂之间的标称90°相位差的真值，而标称相位值减去相位误差为标准相位源输出标称90°相位差的真值，它们之间是相等的，即同一个相位量，则有

同理有

式中：——采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差；

——采样测量系统测得向量电压U₂和-U₁之间的相位差；

——标准相位源标称90°正交输出相位误差；

δ₁—相位采样测量系统的90°正交测量误差。

由式(1)和式(2)，可得：

本发明进一步提供一种正交基准相位的验证方法，包括标准相位源和相位采样测量系统，其特征在于：该相位采样测量系统包括两个双通道采样卡、控制器和时钟，其中两个双通道采样卡构成相位采样测量系统两个电压通道。具体验证方法为：

第一步，标准相位源输出标称270°的正交向量电压U₁和U₂；

第一步，标准相位源输出标称270°的正交向量电压U₁和U₂；

第二步，用相位采样测量系统测量上述正交向量电压，采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₁，采样测量系统的电压通道2测量向量电压U₂，相位采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差为

第三步，互换采样测量系统的电压通道，并改变测量向量电压U₁的方向，用相位采样测量系统再次测得标准相位源输出的上述正交向量电压，即采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₂，采样测量系统的电压通道2测量向量电压-U₁，相位采样测量系统测得正交向量电压U₂和-U₁之间的相位差为

第四步，正交相位误差计算，设相位采样测量系统的270°正交相位测量误差为δ₂，设标准相位源标称270°正交输出相位误差为则有

式中：——采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差；

——采样测量系统测得向量电压U₂和-U₁之间的相位差；

——标准相位源标称270°正交输出相位误差；

δ₂——采样测量系统的270°正交相位测量误差。

由式(3)和式(4)，可得：

进一步地，其中，所述时钟为铷时钟。

进一步地，其中，所述双通道采样卡为NIPXI-5922双通道采样卡，控制器为NIPXI-8110控制器。

本发明还提供一种正交基准相位的验证装置，包括标准相位源和相位采样测量系统，其特征在于：该相位采样测量系统包括两个双通道采样卡、控制器和时钟。其中，采样卡1的通道1和通道2构成相位采样测量系统的电压通道1，采样卡2的通道1和通道2构成相位采样测量系统的电压通道2。标准相位源能提供两路正交输出电压，且每一路输出电压连接到相位采样系统的一路电压通道，构成浮地差分采样，两路差分采样值输入控制器并进行DFT分析计算。

进一步地，其中，其中标准相位源提供标称90°和270°正交电压相位。

进一步地，其中，所述双通道采样卡为NIPXI-5922双通道采样卡，控制器为NIPXI-8110控制器。

进一步地，其中，所述时钟为铷时钟。

进一步地，其中，使用该装置执行权利要求1-5任一项所述的方法。

发明效果：

本项目提出了一种基准相位互易反向验证方法，验证了采样测量系统90°、270°相位测量准确性，同时验证了基于数字移相技术产生的90°、270°正交标准信号的准确性，其中互易验证方法可推广到0°～360°任意相位，解决了采样测量系统相位的溯源性。

不依赖RC移相器，具有正交基准特性，解决由于RC移相器无法准确获得正交相移问题。反向互易验证过程中，测量接线相对固定，测量重复性好。

采用了双卡四通道高速数字化仪的差分采样系统，克服了单卡双通道采样卡低端接地引入共模干扰问题，提高了相位测量的重复性和稳定性。采用基于铷时基的差分采样系统，克服了采样时钟的抖动和噪声，提高了双卡采样的同步性，提高了相位测量的准确度。

附图说明

图1是现有技术中测量装置电路图

图2是本发明测量方法的工作原理图

图3是本发明正交信号90°和270°验证向量图

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和实施方法对本发明作进一步的详细描述。

参照图2示出了本发明的正交基准相位验证装置，其包括，标准相位源、两个PXI(面向仪器系统外围组件互连的扩展)双通道采样卡、PXI控制器和高精度时钟如铷时钟等。其中标准相位源能提供两路标称90°和270°相位差的正交输出电压，每一路电压的输出高端和低端分别连接到PXI双通道采样卡的两个输入高端，采样测量系统构成浮地差分采样，每路采样值输入PXI控制器并进行DFT(离散傅里叶变换)分析计算得到每一路电压的相位，然后得到两路电压的相位差值。双卡四通道构成浮地差分采样，确保电压可以反向(针对相位是180°反相)，避免标准相位源的输出短路过载。铷时钟能提供精确的采样时间，减小采样信号相位抖动。其中标准相位源提供90°和270°正交相位；两个PXI双通道采样卡、PXI控制器和铷时钟等构成相位测量系统，用于测量标准相位源提供的标称90°和270°正交相位。相位采样测量系统中每一个采样卡的两个通道构成一个差分电压采样通道，两个采样卡构成两个电压测量通道。优选地所述双通道采样卡为NIPXI-5922双通道采样卡，控制器为NIPXI-8110控制器。

下面说明90°和270°正交相位验证的过程：

1)90°正交验证

第一步，标准相位源输出标称90°的正交向量电压U₁和U₂；

第二步，用相位采样测量系统测量上述正交向量电压，如图2(a)所示。采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₁，采样测量系统的电压通道2测量向量电压U₂，相位采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差为

第三步，互换相位采样测量系统的电压通道，并改变向量电压U₁的方向(高低互换)，如图2(b)所示。用相位采样测量系统再次测得标准相位源输出的上述正交向量电压，即采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₂，采样测量系统的电压通道2测量向量电压-U₁，相位采样测量系统测得U₂和-U₁之间的相位差为

第四步，正交相位误差计算。电压向量图如图3(a)所示。设采样测量系统的90°正交相位测量误差为δ₁，设标准相位源标称90°正交输出相位误差为 为相位测量系统测量被测向量电压U₁和U₂之间的标称90°相位差的真值，而标称相位值减去相位误差为标准相位源输出标称90°相位差的真值，它们之间是相等的，即同一个相位量，则有

同理有

式中：——采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差；

——采样测量系统测得向量电压U₂和-U₁之间的相位差；

——标准相位源标称90°正交输出相位误差；

δ₁—相位采样测量系统的90°正交测量误差。

由式(4)和式(5)，可得：

2)270°正交验证

第一步，标准相位源输出标称270°的正交向量电压U₁和U₂；

第二步，用相位采样测量系统测量上述正交向量电压，如图2(a)所示。采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₁，采样测量系统的电压通道2测量向量电压U₂，相位采样测量系统测得U₁和U₂之间的相位差为

第三步，互换采样测量系统的电压通道，并改变测量向量电压U₁的方向，如图2(b)所示。用相位采样测量系统再次测得标准相位源输出的上述正交向量电压，即采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₂，采样测量系统的电压通道2测量向量电压-U₁，相位采样测量系统测得正交向量电压U₂和-U₁之间的相位差为

第四步，正交相位误差计算。电压向量图如图3(b)所示。设采样测量系统的270°正交相位测量误差为δ₂，设标准相位源标称270°正交输出相位误差为则有

式中：——采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差；

——采样测量系统测得向量电压U₂和-U₁之间的相位差；

——标准相位源标称270°正交输出相位误差；

δ₂——相位采样测量系统的270°正交相位测量误差

由式(6)和式(7)，可得：

上面方案中，由于双卡四通道高速数字化仪的差分采样系统，克服了采样卡低端接地引入共模干扰问题，提高了宽频功率测量的重复性和稳定性，从而解决了相位测量系统高低端换向问题。测量装置采用了铷时钟，减小了采样时基的相位噪声，提高了采样频率的稳定性，从而提高了相位测量的重复性和准确性。采用基于铷时基的差分采样系统，克服了采样时钟的抖动和噪声，提高了双卡采样的同步性，提高了相位测量的准确度。采用了反向互易的验证过程解决了正交相位的验证问题，与0°和180°一样具有基准特性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种正交基准相位的验证方法，包括标准相位源和相位采样测量系统，其特征在于：该相位采样测量系统包括两个双通道采样卡、控制器和时钟，其中两个双通道采样卡构成相位采样测量系统两个电压通道。具体验证方法为：

第一步，标准相位源输出标称90°或270°的正交向量电压U₁和U₂；

第二步，用相位采样测量系统测量上述正交向量电压，采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₁，采样测量系统的电压通道2测量向量电压U₂，相位采样测量系统测得到向量电压U₁和U₂之间的相位差；

第三步，互换采样测量系统的电压通道，并改变测量向量电压U₁的方向，用相位采样测量系统再次测得标准相位源输出的上述正交向量电压，即采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₂，采样测量系统的电压通道2测量向量电压-U₁，相位采样测量系统测得到U₂和-U₁之间的相位差；

第四步，正交相位误差计算，由于相位差减去相位测量误差的值与正交角度值减去输出相位误差的值相等，通过将上述两个相位差与相位采样测量系统的正交相位测量误差以及标准相位源标称正交输出相位误差构成两个二元一次方程，则可计算出正交相位误差值正交相位测量误差及标准相位源标称正交输出相位误差。

2.一种正交基准相位的验证方法，包括标准相位源和相位采样测量系统，其特征在于：该相位采样测量系统包括两个双通道采样卡、控制器和时钟，其中两个双通道采样卡构成相位采样测量系统两个电压通道。具体验证方法为：

第一步，标准相位源输出标称90°的正交向量电压U₁和U₂；

第二步，用相位采样测量系统测量上述正交向量电压，采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₁，采样测量系统的电压通道2测量向量电压U₂，相位采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差为

第三步，互换采样测量系统的电压通道，并改变测量向量电压U₁的方向，用相位采样测量系统再次测得标准相位源输出的上述正交向量电压，即采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₂，采样测量系统的电压通道2测量向量电压-U₁，相位采样测量系统测得U₂和-U₁之间的相位差为

第四步，正交相位误差计算，设采样测量系统的90°正交相位测量误差为δ₁，设标准相位源标称90°正交输出相位误差为 为相位测量系统测量被测向量电压U₁和U₂之间的标称90°相位差的真值，而标称相位值减去相位误差为标准相位源输出标称90°相位差的真值，它们之间是相等的，即同一个相位量，则有

同理有

式中：——采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差；

——采样测量系统测得向量电压U₂和-U₁之间的相位差；

——标准相位源标称90°正交输出相位误差；

δ₁—相位采样测量系统的90°正交测量误差。

由式(1)和式(2)，可得：

3.一种正交基准相位的验证方法，包括标准相位源和相位采样测量系统，其特征在于：该相位采样测量系统包括两个双通道采样卡、控制器和时钟，其中两个双通道采样卡构成相位采样测量系统两个电压通道。具体验证方法为：

第一步，标准相位源输出标称270°的正交向量电压U₁和U₂；

第一步，标准相位源输出标称270°的正交向量电压U₁和U₂；

第二步，用相位采样测量系统测量上述正交向量电压，采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₁，采样测量系统的电压通道2测量向量电压U₂，相位采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差为

第三步，互换采样测量系统的电压通道，并改变测量向量电压U₁的方向，用相位采样测量系统再次测得标准相位源输出的上述正交向量电压，即采样测量系统的电压通道1测量向量电压U₂，采样测量系统的电压通道2测量向量电压-U₁，相位采样测量系统测得正交向量电压U₂和-U₁之间的相位差为

第四步，正交相位误差计算，设相位采样测量系统的270°正交相位测量误差为δ₂，设标准相位源标称270°正交输出相位误差为则有

式中：——采样测量系统测得向量电压U₁和U₂之间的相位差；

——采样测量系统测得向量电压U₂和-U₁之间的相位差；

——标准相位源标称270°正交输出相位误差；

δ₂——采样测量系统的270°正交相位测量误差。

由式(3)和式(4)，可得：

4.根据权利要求2或3所述的验证方法，其特征在于：所述时钟为高精度时钟，例如铷时钟。

5.根据权利要求2或3所述的验证方法，其特征在于：所述双通道采样卡优选为NIPXI-5922双通道采样卡，控制器优选为NIPXI-8110控制器。

6.一种正交基准相位的验证装置，包括标准相位源和相位采样测量系统，其特征在于：该相位采样测量系统包括两个双通道采样卡、控制器和时钟。其中，采样卡1的通道1和通道2构成相位采样测量系统的电压通道1，采样卡2的通道1和通道2构成相位采样测量系统的电压通道2。标准相位源能提供两路正交输出电压，且每一路输出电压连接到相位采样系统的一路电压通道，构成浮地差分采样，两路差分采样值输入控制器并进行DFT分析计算。

7.根据权利要求6所述的验证装置，其特征在于：其中标准相位源提供标称90°和270°正交电压相位。

8.根据权利要求6所述的验证装置，其特征在于：所述双通道采样卡优选为NIPXI-5922双通道采样卡，控制器优选为NIPXI-8110控制器。

9.根据权利要求6所述的验证装置，其特征在于：所述时钟为高精度时钟，例如铷时钟。

10.根据权利要求6-9任一项所述的验证装置，其特征在于：使用该装置执行权利要求1-5任一项所述的方法。