Bài gia Đo lường điện - Bài 6: Đo góc lệch pha - Mai Quốc Khánh

© Mai Quốc Khánh - 04/2010 1/30
Môn học: Đo lường điện
Bài 6
Đo góc lệch pha
Mai Quốc Khánh
Khoa Vô tuyến điện tử
Học viện KTQS
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 2/30
Nội dung
I. Khái niệm chung về đo góc lệch pha
II. Các phương pháp đo góc lệch pha
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 3/30
I. Kh¸i niÖm chung vÒ ®o gãc lÖch pha
 Pha ®Æc tr­ng cho tr¹ng th¸i cña dao ®éng ®iÒu hßa 
t¹i thêi ®iÓm xÐt
 VÝ dô, ®iÖn ¸p xoay chiÒu: U(t) = Umsin (ωt + ϕo)
cã (ωt + ϕo) lµ pha cña ®iÖn ¸p U(t)
ϕo lµ pha ban ®Çu
 §èi víi hai ®iÖn ¸p xoay chiÒu d¹ng:
U1(t) = Um1 sin (ω1t + ϕo1)
U2(t) = Um2 sin (ω2t + ϕo2)
 Gãc lÖch pha cña hai ®iÖn ¸p:
ϕ = (ϕo1 - ϕo2) + (ω1 - ω2)tBộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 4/30
Kh¸i niÖm chung vÒ ®o gãc lÖch pha
(tiÕp theo)
[ ]
[ ]
.360
.2
 ®é
 Rad
ϕ
ϕ π
∆
=
∆
=
T
T
T
T
T∆
U(t)
t
T
U1(t) U2(t)
 Khi hai ®iÖn ¸p cïng tÇn sè (ω1 = ω2 = ω) th× gãc 
lÖch pha gi÷a chóng lµ kh«ng ®æi vµ kh«ng phô 
thuéc vµo thêi ®iÓm xÐt
( ) ( )2 1 .360 .360o ot t T
T T
ϕ
− ∆
= =
t1 t20
U1(t) = Um1 sin ωt
U2(t) = Um2 sin (ωt + ϕ)
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 5/30
II. C¸c ph­¬ng ph¸p ®o gãc lÖch pha
 Các phương pháp đo góc lệch pha:
2.1 Phương pháp dùng máy hiện sóng
2.2 Phương pháp biến đổi góc lệch về điện áp
2.3 Phương pháp biến đổi góc lệch pha về 
khoảng thời gian
2.4 Phương pháp bù
2.5 Phương pháp biến đổi tần số
 Mỗi phương pháp đo có đặc điểm riêng và sử 
dụng ở dải tần số xác địnhBộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 6/30
2.1. Ph­¬ng ph¸p dïng m¸y hiÖn sãng
a. Phương pháp quét thẳng
b. Phương pháp quét sin
c. Phương pháp quét tròn
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 7/30
a. Ph­¬ng ph¸p quÐt th¼ng
 Thiết lập MHS:
Chế độ quét liên tục 
Chế độ đồng bộ tùy thuộc vào số tia của MHS:
Đồng bộ trong với MHS 2 tia
Đồng bộ ngoài với MHS 1 tia
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 8/30
Ph­¬ng ph¸p quÐt th¼ng 
(tiÕp theo)
Y1 Y2 X
U1(t)
U2(t)
( )360 2 ( )ϕ ϕ π∆ ∆= =ol lhay Rad
L L
Y X
U1(t)
U2(t)
2
1
CM
Đo bằng MHS 1 tia
(CĐ quét liên tục đồng bộ ngoài) 
l∆
L
l∆
L
Đo bằng MHS 2 tia
(CĐ quét liên tục đồng bộ trong) 
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 9/30
b. Ph­¬ng ph¸p quÐt sin
 ThiÕt lËp MHS: chÕ ®é khuyÕch ®¹i
 U1(t) vµ U2(t) ®­a tíi c¸c ®Çu vµo X vµ Y cña MHS:
U1(t) = Um1 sinωt
U2(t) = Um2 sin (ωt + ϕ)
 §é lÖch cña tia s¸ng (¶nh) theo trôc X vµ trôc Y:
X = A sin ωt
Y = B sin (ωt + ϕ)
ë ®©y, A = Um1Sx, B = Um2 Sy; 
Sy, Sx ®é nh¹y cña MHS theo kªnh Y vµ X
 Tõ ®ã, ta nhËn ®­îc ph­¬ng tr×nh h×nh e-lip
ϕϕ 222
2
2 sincos2 Bx
A
Bxy
A
By =




+−
Bộ
 m
ôn
LT
M
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 10/30
Ph­¬ng ph¸p quÐt sin 
(tiÕp theo)
 Tõ ph­¬ng tr×nh, nÕu X = 0 khi ®ã Y = Yo, ta x¸c ®Þnh ®­îc:
sin oY
B
ϕ =
A
X0
B Y0
Y
X
hay 0arcsin
Y
B
ϕ =
sin oX
A
ϕ = arcsin o
X
A
ϕ =hay
 Tõ ph­¬ng tr×nh, nÕu Y = 0 khi ®ã X = Xo, ta x¸c ®Þnh ®­îc:
Minh ho¹
 Gãc lÖch pha cã thÓ ®­îc x¸c 
®Þnh b»ng c¸ch ®o c¸c ®é dµi A 
(hoặc B) vµ X0 (hoặc Y0); tÝnh 
hµm sin, råi lÊy hµm ng­îc 
arcsinBộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 11/30
Ph­¬ng ph¸p quÐt sin 
(tiÕp theo)
 Thực tế, thường xác định gãc lÖch pha b»ng c¸ch 
®o c¸c ®é dµi A (hoặc A’) vµ B (hoặc B’); sau đó 
tÝnh hµm sin, råi lÊy hµm ng­îc arcsin
A’
B’
A B
Minh ho¹
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 12/30
Ph­¬ng ph¸p quÐt sin 
(tiÕp theo)
 C¸c d¹ng ¶nh trªn mµn m¸y hiÖn sãng øng víi c¸c gãc 
lÖch pha cña hai tÝn hiÖu sin thay ®æi 0o ®Õn 180o
 Ph­¬ng ph¸p quÐt sin ®o gãc lÖch pha tõ 0 ®Õn 180o ; kh«ng 
ph©n biÖt ®­îc dÊu
§o gãc lÖch pha b»ng MHS
0 0 0 0 0 00 0 90 90 90 180 180ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ= = = < < < < 
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 13/30
2.2. Ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi gãc lÖch pha vÒ ®iÖn ¸p
 Chñ yÕu sö dông ë tÇn sè thÊp 
 X©y dùng trªn c¬ së ®o gãc lÖch pha 
cña hai ®iÖn ¸p ®iÒu hßa th«ng qua 
®iÖn ¸p tæng UΣ, ®iÖn ¸p hiÖu U∆
 NÕu chän U1 = U2 = U, ta cã:
2U
1U
2U− 
U∑
U∆
ϕ
2 2 2
1 2 1 2
2 2 2
1 2 1 2
2 cos
2 sin
ϕ
ϕ
Σ
∆
= + +
= + +
U U U U U
U U U U U
2 2 24 cos 2 cos
2 2
U U hay U Uϕ ϕΣ Σ= = 
2 2 24 sin 2 sin
2 2
 U U hay U Uϕ ϕ∆ ∆= =
 Nh­ vËy
2 cos
2
2 sin
2
Uarc
U
Uarc
U
ϕ
ϕ
Σ
∆
 =

 =

Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 14/30
Ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi gãc lÖch pha vÒ ®iÖn ¸p
(tiÕp theo)
 §iÖn ¸p tæng vµ ®iÖn ¸p hiÖu cã thÓ ®o kÕt hîp trong c¸c 
m¹ch t¸ch sãng (vÝ dô: m¹ch t¸ch sãng pha c©n b»ng)
sin
2
ϕ
§å thÞ biÓu diÔn quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p 
tæng vµ ®iÖn ¸p hiÖu víi gãc lÖch pha 
M¹ch t¸ch sãng pha c©n b»ng
cos
2
ϕ
sin
2
ϕ
cos - sin
2 2
ϕ ϕ 
 
 
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 15/30
Ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi gãc lÖch pha vÒ ®iÖn ¸p
(tiÕp theo)
 C¸c ®iÖn ¸p cã gãc lÖch pha cÇn ®o ®­îc ®­a tíi c¸c ®Çu 3-4 vµ 5-
6 vµ ®­îc khèng chÕ kh«ng ®æi, trong ®ã U1 = U2 = U3-4/2 = U5-6 = 
const.
 C¸c ®ièt ®ång nhÊt §1, §2 (lµm viÖc ë vïng ®Æc tuyÕn t¸ch sãng 
tuyÕn tÝnh); kÕt hîp víi tô vµ ®iÖn trë t¶i, t¹o thµnh hai m¹ch t¸ch 
sãng m¾c ®èi nhau.
 §iÖn ¸p mét chiÒu gi÷a hai ®iÓm 1-0 tû lÖ thuËn víi ®iÖn ¸p tæng:
 §iÖn ¸p mét chiÒu gi÷a hai ®iÓm 2-0 tû lÖ víi ®iÖn ¸p hiÖu:
 Nh­ vËy:
 ChØ sè cña v«n mÐt ®o ®iÖn ¸p U1-2 phô thuéc vµo gãc lÖch pha ϕ
vµ cã thÓ kh¾c ®é trùc tiÕp qua gãc lÖch pha.
2
cos
210
ϕ
== Σ
U
UKU
2
sin
220
ϕ
== Λ
U
UKU
2
sin
2
cos)(
2
1)( 201012
ϕϕ
−=−=−= ΛΣ UUU
UUKKU
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 16/30
Ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi gãc lÖch pha vÒ ®iÖn ¸p
(tiÕp theo)
 S¬ ®å ®iÒu chÕ m¹ch vßng ®Ó ®o gãc lÖch pha theo 
nguyªn lý biÕn ®æi gãc lÖch pha thµnh ®iÖn ¸p
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 17/30
Ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi gãc lÖch pha vÒ ®iÖn ¸p
(tiÕp theo)
 §Æc ®iÓm: 
 Khi ϕ = 900 th× v«n mÐt chØ 0, cßn khi ϕ = 00 vµ 1800 th× v«n 
mÐt chØ hai gi¸ trÞ cùc ®¹i cña ®iÖn ¸p U1-2 víi cùc tÝnh 
ng­îc nhau. V× vËy v«n mÐt ph¶i cã thang ®o hai phÝa víi 
®iÓm "0" ë gi÷a thang
 ChØ ®o ®­îc gãc lÖch pha tõ 00 ®Õn 1800 víi sai sè kho¶ng 
(2-3)0
 D¶i tÇn tíi hµng tr¨m MHz. 
 Kh«ng ph©n biÖt ®­îc dÊu 
cña gãc lÖch pha.
Phase Meter
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 18/30
3. Ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi gãc lÖch pha 
thµnh kho¶ng thêi gian
 BiÕn ®æi gãc lÖch pha vÒ 
kho¶ng thêi gian ∆T, sau ®ã 
®o kho¶ng thêi gian ®ã 
trong mét hay trong mét sè 
chu kú tÝn hiÖu, nghÜa lµ ®o 
gãc lÖch pha ϕ th«ng qua 
phÐp ®o tû sè ∆T/T
( ).360 oT
T
ϕ ∆=
 Pha mét xây dựng theo nguyên lý này được gọi là pha mét 
thời gian xung; có hai loại:
 Pha mét tương tự thời gian xung
 Pha mét số thời gian xungBộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 19/30
Các loại pha mét thời gian xung
 Pha mét tương tự thời gian xung
a. Pha mét tương tự thời gian xung dùng trigơ
b. Pha mét tương tự thời gian xung dùng đa hài 
đồng bộ
 Pha mét số thời gian xung
c. Pha mét số thời gian xung dùng trigơ
d. Pha mét số thời gian xung với bộ chia tần
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 20/30
a. Pha mét tương tự dùng trigơ
Mạch 
vào
T¹o d¹ng 
xung 1
Chän 
cùc 1
Trig¬
§Çu vµo 1
U1(t)
CC§
Mạch 
vào
T¹o d¹ng 
xung 2
Chän 
cùc 2
§Çu vµo 2
U2(t)
M¹ch vi ph©n
ph©n b«
Bộ
 m
ô
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 21/30
Pha mét tương tự 
dùng trigơ 
(tiếp theo)
 ChØ thÞ tõ ®iÖn sÏ ®o ®­îc 
dßng trung b×nh trong 
mét chu kú tÝn hiÖu:
v×
nªn
hay
0
1 T
tb m m
TI I dt I
T T
∆ ∆
= =∫
U1(t)
t
UTX1
UTX2
UCC1
UCC2
UTR
ITR
Im
U2(t)
360
T
T
ϕ∆
=
.
360tb m
I I ϕ=
360 . tb
m
I
I
ϕ =
T∆
t
t
t
t
t
t
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 22/30
Pha mét tương tự dùng trigơ
(tiếp theo)
 Gãc lÖch pha ϕ tØ lÖ tuyÕn tÝnh víi dßng ®iÖn Itb kh¾c 
®é thang ®o cña chØ thÞ tõ ®iÖn theo ®¬n vÞ cña gãc 
lÖch pha
 Sai sè cña pha mÐt thêi gian xung (cã trÞ sè kho¶ng 1 
÷ 3%), phô thuéc vµo:
 Qu¸ tr×nh qu¸ ®é cña c¸c bé t¹o d¹ng, vµ trig¬
 Sai sè thiÕt bÞ chØ thÞ 
 Ph¹m vi ®o gãc lÖch pha tõ 00 ®Õn 1800
 D¶i tÇn tíi vµi chôc KHz
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 23/30
b. Pha mét tương tự dùng đa hài đồng bộ
Mạch 
vào
K§
h¹n chÕ
§a hµi 
®ång bé 
A
M¹ch 
vi ph©n 
ph©n 
bè
§Çu vµo 1
U1(t)
CC§
Mạch 
vào
K§
h¹n chÕ
§a hµi 
®ång bé 
B
§Çu vµo 2
U2(t)
§a hµi 
®ång bé I
§a hµi 
®ång bé II
Σ
 Pha mét tương tự dùng mạch đa hài đồng bộ
Bộ
 m
ô
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 24/30
Pha mét tương tự 
dùng đa hài đồng bộ 
(tiếp theo)
 Ho¹t ®éng cña pha 
mÐt t­¬ng tù thêi gian 
xung sö dông m¹ch 
®a hµi ®ång bé
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 25/30
c. Pha mét số thời gian xung dùng trigơ
Mạch 
vào
T¹o d¹ng 
xung 1
Chän 
cùc 1
Trig¬
§Çu vµo 1
U1(t)
Mạch 
vào
T¹o d¹ng 
xung 2
Chän 
cùc 2
§Çu vµo 2
U2(t)
M¹ch vi ph©n
ph©n b«
TXC
K
B§X
HTS
TTR
f0
NX
 Có thể tạo ra pha mét số thời gian xung từ pha mét 
tương tự thời gian xung bằng cách biến đổi số và thay 
chỉ thị từ điện bằng chỉ thị số
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 26/30
Pha mét số thời gian 
xung dùng trigơ
(tiếp theo)
0
0
0
0
1. . .360
360
1.
360
.
TR
x
TN
T
T
T
T T
T T
T
T
K
ϕ
ϕ
=
∆
=
∆
=
=
=
U1(t)
U2(t) t
UTX1
UTXC
NX
UTX2
UCC1
UCC2
UTR
ITR
Im
UBDX
T∆
 NÕu ®o ®­îc tÇn sè cña tÝn 
hiÖu, ta sÏ ®o ®­îc gãc lÖch 
pha
t
t
t
t
t
t
t
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 27/30
c. Pha mét số thời gian xung với chia tần
1
0 2
.360 360 360of T NT
T f T N
ϕ
∆∆
= = =
Biến
đổi 1
Trig¬
§Çu vµo 1
U1(t)
§Çu vµo 2
U2(t)
Biến
đổi 2
CT
B§X HTSK1 K2
TXC
N1 N2
 Trong pha mÐt sè, kho¶ng thêi gian ∆T vµ chu kú tÝn hiÖu T ®­îc 
lÊp ®Çy bëi xung mÉu cã cïng tÇn sè f0, gãc lÖch pha ®­îc x¸c 
®Þnh th«ng qua tû sè cña hai sè l­îng xung ®Õm ®­îc t­¬ng øng 
víi ∆T vµ T:
UK1UTR
UCT
UK2
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 28/30
Pha mét số thời gian xung với chia tần
(tiếp theo)
0
0. .
TnT K T n K
T
= ⇔ =
1
0 0
. 1.
360
T TN
T T
ϕ∆  = =  
 
0
2
0
. 1. . .
360 360
TT KN K
T T
ϕ ϕ = = 
 
UTR
UK2
T∆
T
T®
UCT
N2
tUTXC
T0
N1
UK1
t
t
t
t
 Td = K.T0 (víi K - hÖ sè 
chia tÇn)
 MÆt kh¸c Td = n.T (víi n -
sè chu kú tÝn hiÖu trong 
kho¶ng thêi gian Td)
 Do vËy,
 Sè xung qua K1 trong 
kho¶ng thêi gian 
 Sè xung qua K2 trong thêi 
gian Td lµ N2 = N1.n 
T∆
 Do vËy
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 29/30
Pha mét số thời gian xung với chia tần
(tiếp theo)
 Góc lệch pha không phụ thuộc tần số của tín 
hiệu vào và được xác định trực tiếp trên thiết bị 
hiển thị số của pha mét
 Sai số của pha mét số thời gian xung
 Sai số do khoảng thời gian Td không bằng số 
nguyên lần của chu kỳ tín hiệu vào T
 Có thể giảm nếu chọn được hệ số chia tần thích 
hợp
 Sai số lượng tử hoáBộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L
© Mai Quốc Khánh - 04/2010 30/30
VÀ CUỐI CÙNG LÀ ...

CẢM ƠN
Bộ
 m
ôn
 L
TM
-Đ
L