一种在Multisim中快捷测量相位差的仿真方法

俞 梁 英

(1.苏州经贸职业技术学院机电系;2.江苏省光伏风电控制工程研发中心，江苏苏州 215009)

0 引言

信号的相位差测量在电子技术、电力系统、工业控制等许多领域有着广泛的应用［1］。相位差的测量是研究网络相频特性中必不可少的内容，如何使相位差的测量快速、精确已成为生产科研中重要的研究课题。

Multisim提供了许多便捷功能，但其在正弦稳态等电路分析中不能直接测量电压相位差。通常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［2-3］。

将初相位为φ1、φ2的正弦电压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1所示的上、下对称的波形。设u1过零点分别为A、C点，对应的时间为tA、tC;u2过零点分别为B、D点，对应的时间为tB、tD。正弦信号变化一周是360°，u1过零点A比u2过零点B提前tB－tA出现，所以u1超前u2的相位，即u1与u2的相位差如式(1)所示:

式中:T为两同频正弦波的周期;ΔT为两正弦波过零点的时间差。

若示波器水平扫描的线性度很好，则可将线段AB写为AB≈k(tB－tA)，线段AC≈k(tC－tA)，其中k为比例常数，式(1)改写为:

量得波形过零点之间的长度AB和AC，即可由式(2)计算出相位差φ。

应当说明，在应用直接比较法测量相位差时尽量使用双踪示波器，两个正弦波形同时显示在荧光屏上，观测两波形过零点时间及周期方便且较准确。

图1 直接比较法测量相位差

这种测量方式有两个缺点:一是不能直接读出相位差，而是测时间差通过计算间接得相位差，测量误差较大;二是不便捷。由于示波器连接到电路时需要与电路“共地”，故只能测量电路中的电位信号，而不可测量任意两点间的电压信号，这对分析研究正弦稳态电路造成较大的困难［4-5］。

为解决这一问题，本文提出基于Multisim的受控源和波特仪组成的一种简捷的相位差测量电路的方法。通过实例电路的仿真进一步说明电路的测量方法，并对电路中相关参数的误差进行了详细分析，结果表明该电路测量频率范围宽、精度高，可用于相位差电路的直接测量。

1 相位测量电路

目前在Multisim中测量相位差普遍利用基本运放的差分测量电路和Multisim自带工具波特图示仪构成测量电路。该电路可实现对任意两点的电压信号与扫描信号源之间的相位差。基本运放电路的相频特性影响到对被测信号的相位差的影响［6-8］。当信号频率小于10 kHz时，测量放大器附加相位移，Δφ≤0.01°;当信号频率大于100 kHz时，Δφ≤0.1°，可以认为信号频率在0～10 kHz内附加相位移Δφ≈0°。为了进一步提高电路测量的精度，为此本文提出了一种新的简化的仿真测量电路。该电路引入受控源，对被测电压信号进行测量。这种方法不存在测量电路的相频特性对被测信号的影响，保证了仿真测量的精度，仿真结果和理论计算结果基本吻合。

利用Multisim中的电压控制电压源来进行测量电路中任意两点间的电压差，电压控制电压源连接电路如图2所示。该测量电路可测量电路中任意两点间的电压信号，并可将其电位差及两点间的电压与信号源之间的相位差直接显示出来。

Multisim中波特仪能测量和显示电路的幅频特性和相频特性，可以用于测量一个信号的电压增益或相位移［3］。在Multisim中使用波特图仪仿真时，电路中必须有交流信号源，但其参数对波特图仪的频率分析结果无影响，即默认频率扫描交流信号源的幅度为1 V，初相位为0°。频率为波特图仪设定的扫描范围。借助于波特图仪相频特性的测试功能，可测量出被测电压信号在指定频率处与扫描信号源(默认其初相位为0°)之间的相位差，通过面板显示窗可显示相位差的数值，并可显示出相位的超前或滞后关系［9-11］。

图2 相位测量仿真电路

在图2中引进了VCVS受控源来测量电感L1两端的电压差，受控源的比例设成1∶1，这样在测量电路中某一器件的电压相位时只要把两端的电压作为受控源的控制信号，受控源的输出信号一端接地就可以测出该器件两端的电压降。

为了保证仿真的精度，测量前应对波特图仪面板参数做必要的设置。Mode选Phase(即显示相频特性);Horizontal选 Lin，选扫描频率的范围满足:(初值)I＜f＜F(终值)，且让I(初值)和F(终值)尽量接近信号的频率(本仿真中取信号频率的±10%区间进行仿真设置，可有效提高读数精度);Vertical选Lin，一般为在 －180°～ +180°;Controls下，在 Set中将ResolutionPoints设置为最大即1 000(可提高读数精度)。测量时将波特图仪显示窗中读数指针移至信号频率处，显示窗下显示所测电压与扫描信号源之间的相位差值，也可以从基本工具栏的图形记录仪中读取数据，如鼠标指向测量线按右键，单击SetX_Value，设X的频率为100 Hz，从而实现了相位差的直接测量和显示［12-14］。

设定SetX_Value为100 Hz后，由显示图可知，100 Hz时，电源V1初相位为0°，电感L1上的初相位为 86.257°。

2 实测电路误差分析

在图2的测量示例电路中，该电路的复阻抗［15］为:

由式(3)得阻抗Z的复角(阻抗Z上电压与电流的相位差)为:

图2是利用波特仪进行仿真测量电感相对电源Us的相位差，即在用相量模型计算过种中选用电源Us作为参考相量，以阻抗的复角的定义可知，电感电压相量及相位角、电阻电压相量及相位角，电容电量相量及相位角可由下列各式计算:

表1给出了不同频率的电阻、电感的相位差的理论计算和仿真测量的值之间的比较。

表1 电阻、电感、电容上电压的相位差

表1中的数据表明相位差测量电路在1～100 kHz的频率范围内测量的绝对误差等于0。引进该受控源相位测量电路比传统差分运放测量电路的带来的误差大大降低了，即消除了运放电路的附加相位移△φ。

3 结语

本文给出了两同频率信号相位差的一种精确、快速的测量方法，充分利用了受控源理想特性快速构建仿真测量电路，相对于差分测量电路本文的方法不存在运放的相频特性对被测信号相位差的影响。在绝大多数电路分析研究中，可以满足测量要求，很好地解决了Multisim软件中不能测量电压相位差的问题。

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