Перейти к содержанию

Как измерить сдвиг фаз осциллографом?

Обновлено Редакция GAW

Сдвиг фаз — это задержка одного сигнала относительно другого, выраженная в долях периода. Фаза всегда относительна: её отсчитывают от опорного сигнала, обычно напряжения источника (Kuphaldt, гл. 1.5).

Три способа

СпособКакКогда удобен
По задержке вручнуюкурсорами Δt между переходами через ноль и T, затем φ = 360° · Δt / Tлюбой осциллограф
Автоматическое измерение PhaseRigol считает Phase = Delay · 360° / Period по фронтам двух каналовбыстрые повторные измерения
Фигура Лиссажу, режим XYsin φ = A / B по размерам эллипсасинусоиды одной частоты

В режиме XY Rigol требует отцентрировать оба сигнала. На рисунке 3-2 руководства A — расстояние от центра до точки, где эллипс пересекает вертикальную ось, а B — от центра до верхней точки эллипса; то же отношение дают полные отрезки C и D. Сдвиг 0° даёт прямую линию, 90° при равных амплитудах — окружность.

Пример: RC-цепь

Наш расчёт: резистор 1,6 кОм и конденсатор 100 нФ последовательно, синус 1 кГц. Сопротивление конденсатора — 1/(2π · 1000 · 100 · 10⁻⁹) ≈ 1,59 кОм, почти равное R, поэтому ток цепи опережает напряжение источника примерно на 45°.

Что измереноОжидаемое значение
Задержка между нулями45 / 360 · 1 мс = 125 мкс
Отношение A/B в режиме XYsin 45° ≈ 0,71

Ток цепи здесь удобно снимать как напряжение на резисторе, если он подключён к общему проводу. Почему у конденсатора ток опережает — в ответе «Почему в конденсаторе ток опережает напряжение?», расчёт фазы RC-цепи на любой частоте — в калькуляторе RC-фильтра. Длинный провод земли щупа искажает быстрые сигналы, а не синусоиду 1 кГц, — подробнее в ответе о звоне на фронтах. Основы фазы и импеданса — в статье «Переменный ток».

Похожие вопросы

Как измерить фазу тока, а не напряжения?

Осциллограф измеряет напряжение, поэтому ток превращают в напряжение маленьким резистором-шунтом: напряжение на нём совпадает с током по фазе. Наш совет: ставить шунт в провод, соединённый с общим проводом схемы, — тогда оба щупа подключаются к одной земле и не замыкают ничего через корпус осциллографа.

Почему автоматическое измерение фазы скачет?

Rigol считает фазу по задержке между фронтами и периоду первого источника, а моменты фронтов берутся на уровне порога, по умолчанию 50 %. Шум и медленные синусоиды сдвигают точку пересечения, и результат дрожит. Помогают усреднение и ограничение полосы канала.

Как по эллипсу понять, опережает сигнал или отстаёт?

Сама фигура Лиссажу этого не показывает: эллипс одинаков при опережении и отставании на тот же угол. По наклону большой оси Rigol различает только диапазоны 0–90° и 90–180°. Знак сдвига смотрят в обычном режиме по двум каналам: какой сигнал проходит ноль раньше.

Источники

  1. RIGOL. MSO1000Z/DS1000Z Series Digital Oscilloscope User's Guide (UGA19111-1110, Aug. 2016) — с. 3-3–3-4: режим XY, метод Лиссажу — sin θ = A/B или C/D, сигналы центрируют по горизонтали, по наклону эллипса определяют четверть; пример с 90° — окружность; с. 6-27–6-28: измерения Delay и Phase между двумя источниками, Phase = Delay · 360° / Period1
  2. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. II — AC, 6th ed. (2021), гл. 1.5, 4.2, CC BY — фаза — относительная величина, её отсчитывают от опорного сигнала, обычно напряжения источника; опережение и отставание; ток конденсатора опережает напряжение на 90°

Нашли ошибку?

Смотрите также