一種正交基準(zhǔn)相位的驗(yàn)證方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測量方法和裝置，尤其涉及一種正交基準(zhǔn)相位的驗(yàn)證方法及其裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在交流阻抗、交流功率等交流測量領(lǐng)域，最關(guān)鍵的是兩個正交參考標(biāo)準(zhǔn)的獲得。早 期采用高Q值(或已知Q)的互感器、低損耗因數(shù)(或已知低損耗因數(shù)）的電容器、低時間常數(shù) (或已知時間常數(shù)）的交流電阻器等，或它們之間的某種組合，產(chǎn)生已知的模擬參考相角標(biāo) 準(zhǔn)。隨著數(shù)字測量技術(shù)的發(fā)展，在許多數(shù)字測量儀器中，采用數(shù)字移相技術(shù)產(chǎn)生正交的參考 信號。在基于DFT的交流電量測量過程中，為了獲得傅立葉系數(shù)，使用兩個正交數(shù)字參考信 號：sink ω t和cosk ω t，它比模擬正交參考標(biāo)準(zhǔn)具有更準(zhǔn)確的特性。在精密測量(計量）中， 正交參考信號的正交性如何需要實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。
[0003] 目前0°和180°參考相位的驗(yàn)證方法比較簡單，國內(nèi)外都是采用校準(zhǔn)裝置測量同一 信號同向（同相〇°)和反向（反相180°)后與理論值比較。但90°參考相位驗(yàn)證比較復(fù)雜，國外 (包括國內(nèi)中國計量科學(xué)研究院）有采用傳統(tǒng)的RC移相器方法進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計一個如圖1電 路。
[0004] 圖中標(biāo)準(zhǔn)電阻器的等效阻抗為：
[0005] ZReq = R+jco(L-R2C) (1)
[0006] 標(biāo)準(zhǔn)電容器的等效阻抗為：
[0010] 圖中的標(biāo)準(zhǔn)電阻器的直流電阻、寄生電感和寄生電容以及標(biāo)準(zhǔn)電容器的標(biāo)準(zhǔn)電容 值和損耗值通過阻抗測量儀測量得到。最后通過式（3)計算出一個移相器的理論移相角與 采樣系統(tǒng)的采樣計算得到了移相角進(jìn)行比較。
[0011] 由于電容的損耗、電阻時間常數(shù)、寄生電感、寄生電導(dǎo)等參數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)電容器和電阻 器的寄生參數(shù)，對相移器的相移起決定作用，這些參數(shù)本身就無法準(zhǔn)確測量，而且受內(nèi)部連 接線的影響，RC移相器的實(shí)際相移是無法準(zhǔn)確測得的。計算得到移相器的理論移相角的不 確定度很大，因此該方法只能在毫度量級進(jìn)行驗(yàn)證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明目的在于提供一種對于微度量級的高準(zhǔn)確度正交基準(zhǔn)相位的驗(yàn)證方法及 其裝置。具體而言提供
[0013] -種正交基準(zhǔn)相位的驗(yàn)證方法，包括標(biāo)準(zhǔn)相位源和相位采樣測量系統(tǒng)，其特征在 于:該相位采樣測量系統(tǒng)包括兩個雙通道采樣卡、控制器和時鐘，其中兩個雙通道采樣卡構(gòu) 成相位采樣測量系統(tǒng)兩個電壓通道。具體驗(yàn)證方法為：
[0014] 第一步，標(biāo)準(zhǔn)相位源輸出標(biāo)稱90°或270°的正交向量電壓UjPU2;
[0015] 第二步，用相位采樣測量系統(tǒng)測量上述正交向量電壓，采樣測量系統(tǒng)的電壓通道1 測量向量電壓山，采樣測量系統(tǒng)的電壓通道2測量向量電壓U 2,相位采樣測量系統(tǒng)測得到向 量電壓Ul和U2之間的相位差；
[0016] 第三步，互換采樣測量系統(tǒng)的電壓通道，并改變測量向量電壓山的方向，用相位采 樣測量系統(tǒng)再次測得標(biāo)準(zhǔn)相位源輸出的上述正交向量電壓，即采樣測量系統(tǒng)的電壓通道1 測量向量電壓u 2,采樣測量系統(tǒng)的電壓通道2測量向量電壓，相位采樣測量系統(tǒng)測得到U2 和-Ui之間的相位差；
[0017] 第四步，正交相位誤差計算，由于相位差減去相位測量誤差的值與正交角度值減 去輸出相位誤差的值相等，通過將上述兩個相位差與相位采樣測量系統(tǒng)的正交相位測量誤 差以及標(biāo)準(zhǔn)相位源標(biāo)稱正交輸出相位誤差構(gòu)成兩個二元一次方程，則可計算出正交相位誤 差值正交相位測量誤差及標(biāo)準(zhǔn)相位源標(biāo)稱正交輸出相位誤差。
[0018] 本發(fā)明還提供一種正交基準(zhǔn)相位的驗(yàn)證方法，包括標(biāo)準(zhǔn)相位源和相位采樣測量系 統(tǒng)，其特征在于:該相位采樣測量系統(tǒng)包括兩個雙通道采樣卡、控制器和時鐘，其中兩個雙 通道采樣卡構(gòu)成相位采樣測量系統(tǒng)兩個電壓通道。具體驗(yàn)證方法為：
[0019] 第一步，標(biāo)準(zhǔn)相位源輸出標(biāo)稱90°的正交向量電壓UjPU2;
[0020] 第二步，用相位采樣測量系統(tǒng)測量上述正交向量電壓，采樣測量系統(tǒng)的電壓通道1 測量向量電壓山，采樣測量系統(tǒng)的電壓通道2測量向量電壓U 2,相位采樣測量系統(tǒng)測得向量 電壓山和1]2之間的相位差為供；
[0021] 第三步，互換采樣測量系統(tǒng)的電壓通道，并改變測量向量電壓山的方向，用相位采 樣測量系統(tǒng)再次測得標(biāo)準(zhǔn)相位源輸出的上述正交向量電壓，即采樣測量系統(tǒng)的電壓通道1 測量向量電壓u 2,采樣測量系統(tǒng)的電壓通道2測量向量電壓，相位采樣測量系統(tǒng)測得U2 和-Ui之間的相位差為9?
[0022]第四步，正交相位誤差計算，設(shè)采樣測量系統(tǒng)的90°正交相位測量誤差為δ:，設(shè)標(biāo) 準(zhǔn)相位源標(biāo)稱90°正交輸出相位誤差為為相位測量系統(tǒng)測量被測向量電壓Ui和 U2之間的標(biāo)稱90°相位差的真值，而標(biāo)稱相位值減去相位誤差Δ%為標(biāo)準(zhǔn)相位源輸出標(biāo)稱 90°相位差的真值，它們之間是相等的，即同一個相位量，則有
[0023] 釣-4 二 90。- Δ奶 :⑴
[0024] 同理有
[0025] ^,-4 =9〇° + Δ^, (2)
[0026] 式中：--米樣測量系統(tǒng)測得向量電壓Ui和U2之間的相位差；
[0027] Ψ?--米樣測量系統(tǒng)測得向量電壓U2和HJi之間的相位差；
[0028] Δ約--標(biāo)準(zhǔn)相位源標(biāo)稱90°正交輸出相位誤差；
[0029] δ:-相位采樣測量系統(tǒng)的90°正交測量誤差。
[0030]由式（1)和式(2)，可得：
[0033]本發(fā)明進(jìn)一步提供一種正交基準(zhǔn)相位的驗(yàn)證方法，包括標(biāo)準(zhǔn)相位源和相位采樣測 量系統(tǒng)，其特征在于:該相位采樣測量系統(tǒng)包括兩個雙通道采樣卡、控制器和時鐘，其中兩 個雙通道采樣卡構(gòu)成相位采樣測量系統(tǒng)兩個電壓通道。具體驗(yàn)證方法為：
[0034] 第一步，標(biāo)準(zhǔn)相位源輸出標(biāo)稱270°的正交向量電壓UjPU2;
[0035] 第一步，標(biāo)準(zhǔn)相位源輸出標(biāo)稱270°的正交向量電壓UjPU2;
[0036] 第二步，用相位采樣測量系統(tǒng)測量上述正交向量電壓，采樣測量系統(tǒng)的電壓通道1 測量向量電壓山，采樣測量系統(tǒng)的電壓通道2測量向量電壓U 2,相位采樣測量系統(tǒng)測得向量 電壓Ul和U2之間的相位差為豹。
[0037] 第三步，互換采樣測量系統(tǒng)的電壓通道，并改變測量向量電壓山的方向，用相位采 樣測量系統(tǒng)再次測得標(biāo)準(zhǔn)相位源輸出的上述正交向量電壓，即采樣測量系統(tǒng)的電壓通道1 測量向量電壓u 2,采樣測量系統(tǒng)的電壓通道2測量向量電壓-山，相位采樣測量系統(tǒng)測得正交 向量電壓U2和-Ul之間的相位差為？^4 ^
[0038] 第四步，正交相位誤差計算，設(shè)相位采樣測量系統(tǒng)的270°正交相位測量誤差為δ2， 設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相位源標(biāo)稱270°正交輸出相位誤差為△免 2 '則有
[0039] ~ Sn - 270〇 -(3.)
[0040] φ4-δ2 =270ο + Αψ2 (4)
[0041] 式中：％--米樣測量系統(tǒng)測得向量電壓Ui和U2之間的相位差；
[0042] Ψα 米樣測量系統(tǒng)測得向量電壓U2和-Ui之間的相位差；
[0043] Mh--標(biāo)準(zhǔn)相位源標(biāo)稱270°正交輸出相位誤差；
[0044] δ2一一采樣測量系統(tǒng)的270°正交相位測量誤差。
[0045]由式(3)和式(4)，可得：
[0048] 進(jìn)一步地，其中，所述時鐘為銣時鐘。
[0049] 進(jìn)一步地，其中，所述雙通道采樣卡為ΝΙ ΡΧΙ-5922雙通道采樣卡，控制器為ΝΙ ΡΧΙ-8110控制器。
[0050]本發(fā)明還提供一種正交基準(zhǔn)相位的驗(yàn)證裝置，包括標(biāo)準(zhǔn)相位源和相位采樣測量系 統(tǒng)，其特征在于:該相位采樣測量系統(tǒng)包括兩個雙通道采樣卡、控制器和時鐘。其中，采樣卡 1的通道1和通道2構(gòu)成相位采樣測量系統(tǒng)的電壓通道1，采樣卡2的通道1和通道2構(gòu)成相位 采樣測量系統(tǒng)的電壓通道2。標(biāo)準(zhǔn)相位源能提供兩路正交輸出電壓，且每一路輸出電壓連接 到相位采樣系統(tǒng)的一路電壓通道，構(gòu)成浮地差分采樣，兩路差分采樣值輸入控制器并進(jìn)行 DFT分析計算。
[0051 ] 進(jìn)一步地，其中，其中標(biāo)準(zhǔn)相位源提供標(biāo)稱90°和270°正交電壓相位。
[0052] 進(jìn)一步地，其中，所述雙通道采樣卡為NI PXI-5922雙通道采樣卡，控制器為NI PXI-8110控制器。
[0053] 進(jìn)一步地，其中，所述時鐘為銣時鐘。
[0054]進(jìn)一步地，其中，使用該裝置執(zhí)行權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法。
[0055]發(fā)明效果：
[0056]本項(xiàng)目提出了一種基準(zhǔn)相位互易反向驗(yàn)證方法，驗(yàn)證了采樣測量系統(tǒng)90°、270°相 位測量準(zhǔn)確性，同時驗(yàn)證了基于數(shù)字移相技術(shù)產(chǎn)生的90°、270°正交標(biāo)準(zhǔn)信號的準(zhǔn)確性，其 中互易驗(yàn)證方法可推廣到0°~360°任意相位，解決了采樣測量系統(tǒng)相位的溯源性。
[0057]不依賴RC移相器，具有正交基準(zhǔn)特性，解決由于RC移相器無法準(zhǔn)確獲得正交相移 問題。反向互易驗(yàn)證過程中，測量接線相對固定，測量重復(fù)性好。
[0058] 采用了雙卡四通道高速數(shù)字化儀的差分采樣系統(tǒng)，克服了單卡雙通道采樣卡低端 接地引入共模干擾問題，提高了相位測量的重復(fù)性和穩(wěn)定性。采用基于銣時基的差分采樣 系統(tǒng)，克服了采樣時鐘的抖動和噪聲，提高了雙卡采樣的同步性，提高了相位測量的準(zhǔn)確 度。
【附圖說明】
[0059] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中測量裝置電路圖
[0060] 圖2是本發(fā)明測量方法的工作原理圖
[0061 ]圖3是本發(fā)明正交信號90°和270°驗(yàn)證向量圖
【具體實(shí)施方式】
[0062]為了使本技術(shù)領(lǐng)域人員更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方法對本發(fā)明作 進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0063] 參照圖2示出了本發(fā)明的正交基準(zhǔn)相位驗(yàn)證裝置，其包括，標(biāo)準(zhǔn)相位源、兩個PXI (面向儀器系統(tǒng)外圍組件互連的擴(kuò)展)雙通道采樣卡、PXI控制器和高精度時鐘如銣時鐘等。 其中標(biāo)準(zhǔn)相位源能提供兩路標(biāo)稱90°和270°相位差的正交輸出電壓，每一路電壓的輸出高 端和低端分別連接到PXI雙通道采樣卡的兩個輸入高端，采樣測量系統(tǒng)構(gòu)成浮地差分采樣， 每路采樣值輸入PXI控制器并進(jìn)行DFT(離散傅里葉變換)分析計算得到每一路電壓的相位， 然后得到兩路電壓的相位差值。雙卡四通道構(gòu)成浮地差分采樣，確保電壓可以反向（針對相 位是180°反相），避免標(biāo)準(zhǔn)相位源的輸出短路過載。銣時鐘能提供精確的采樣時間，減小采 樣信號相位抖動。其中標(biāo)準(zhǔn)相位源提供90°和270°正交相位;兩個PXI雙通道采樣卡、PXI控 制器和銣時鐘等構(gòu)成相位測量系統(tǒng)，用于測量標(biāo)準(zhǔn)相位源提供的標(biāo)稱90°和270°正交相位。 相位采樣測量系統(tǒng)中每一個采樣卡的兩個通道構(gòu)成一個差分電壓采樣通道，兩個采樣卡構(gòu) 成兩個電壓測量通道。優(yōu)選地所述雙通道采樣卡為NI PXI-5922雙通道采樣卡，控制器為NI PXI-8110控制器。
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