Phase量测概说

相位的量测是一个相对的量测，相对的量测是一种很复杂的量测。当然所使用的量测仪器也有很多种，有计频器，示波器等。量测的仪器有很多种，量测的方法也有好多种。有Phase量测功能的计频器可以直接量测，无Phase量测功能的计频器则可以以Time A-B/Period间接将 Phase换算出来。示波器则可以有更多种Phase量测功能，可以Phase量测功能直接量测、以Delay(C1-C2)/Period间接将 Phase换算出来、以李萨育图形计算。如果数字示波器有FFT功能，也可以用FFT计算。

在此篇文章中我们将以不同的方法，比较各种方法的准确度。我们使用的方法有(1)计频器直接量测。(2)计频器Time A-B/Period间接量测。(3)数字示波器Phase量测功能直接量测。(4)数字示波器以李萨育图形计算。(5)数字示波器以delay C1-C2/Period间接将Phase换算，(6)数字示波器以FFT计算。

影响Phase量测的因素有；(1)输入信号的噪声，Slew rate, Jitter。(2)量测仪器本身的噪声，触发点位置，两个Channel的原有delay误差。(3)系统的误差；包含传输特性的差别，长短的差别等。

《图一》

本项量测设计(图一)可以消除第1项与第3项误差，无法消除第2项误差。第2项会与仪器本身的规格有关，当然也会与量测结果有关。图一是利用Tektronix SG5030综合信号产生仪输出10MHz的Sine波信号，此信号同时输入到HP 3336C的Reference XOC Input端，当做HP 3336C的参考Time Base。同时将HP 3336C的输出设定在10MHz。将此输出Sine波信号与Tek SG5030的10MHz做Phase比较。

当然这两个输出信号的phase差一定不会是零。因为会有差别，所以我们必须将此两个信号Phase先调整到为零。这个动作是要利用HP3336C的“φAssign=0"功能将Phase差调整为0。首先如图一将接线与设定做好，将示波器个档位设定如下所示(图二)。

《图二》

将示波器的内存长度设定=1000点/20div，且示波器的2个Channel垂直档位=200mV/div，Time/div=12.5nS(先不要管图二的其他Match2的设定)。然后调整HP3336C的Amplitude输出Level使与Tek SG5030的输出一样大。现在要设定HP3336C的输出与Tek SG5030的输出Phase一样=0。做法是按HP3336C的Phase键RHP3336C会显示出0.00的Degree显示，然后按下0.00显示下方的数字改变键，改变Degree，使在示波器上的两个Sine波形重合，此时Degree的值可能会是任何值(可能=-57.0°，或其他的值)。查看示波器上的量测值是否=0。 再按下HP3336C的Blue Shift→Phase(ψAssign=0)，使Degree显示值此时=0.00°。

此时HP3336C与Tek SG5030在示波器上的Phase差是0.00°的。然后调整HP3336C的Phase=45°，表示HP3336C与Tek SG5030在示波器上的Phase差量测应该是45.0°。

现在我们利用数字示波器的3种方法做量测，并以Counter的2种量测值做比较。

《图三》

数字示波器的量测方法：

第1种方法：Y-T量测

Y-T模式是示波器典型的用法，用这种方法的量测步骤是(图三)

1.先量测出信号的周期(Period)=B

2.再量测出2个信号的时间延迟(Delay)=A

3.将Phase=360°×(A/B)

由(图四)中的C1RC2 phase读值可以验证一下，Phase=360°×(A/B)= 360°×(12.201/99.991)=43.92°。C1RC2 Phase读值=45.2°，而计算所得之Phase=43.92°，误差出现在触发点(Trigger Point)的不同所产生的。数字示波器在图四的Period比较不容易产生较大的误差，而Delay的量测则可能因为DC Level或触发点的不同而产生Delay量测的误差(图五)。所以在量测相位时信号的触发点位置设定是很重要的。

《图四》

第2种方法：X-Y模式量测

这种模式是以前模拟示波器常常用于量测相位的方法，而这种量测模式常用于量测Audio信号的相位。其实模拟示波器X-Y模式的带宽(Bandwidth)大约只有3MHz，所以量测Audio信号的相位是没有甚么问题。但是这个例子为10MHz的信号，使用模拟示波器X-Y模式量测此信号就不适合，但是数字示波器就可以做到。(图六)就是使用X-Y模式的原理，经每一点一一相互对映描绘可得图中的圈圈是相差45°。(图七)就是使用数字示波器X-Y模式量测所得到的结果由图七所得到量测相位的结果与图四做比较，可知结果是相同的。但是X-Y模式量测的计算方法与Y-T模式是不同的，X-Y模式量测的计算方法为(图八)，相位是取(=sin (A/B)所得到的。将图七以目视的方式来计算可得(=sin (4.25/6)=45.1°，与数字示波器量测所得结果相同的，你也可以使用光标(Cursor)来量测。

《图五》

第3种方法：FFT模式量测

现在的数字示波器就可能附带有快速傅立叶变换(FFT)的功能，因为取样速度与运算能力的增快，FFT的功能到达数十Mhz已经不是困难的事了。当然我们也可以利用此种功能量测Phase，但是如何量测才是准确的呢?

利用FFT量测时首先要注意的是

(1)输入信号不能振幅大小超出屏幕，但是尽量放大信号，可以增加垂直分辨率。

(2)内存放长可以增加水平分辨率。

以图二来说，我们尽量把曲线放大到屏幕能看到的最大程度，然后调整HP3336C的Phase使曲线重合，显示的Degree=0°。然后我们输出45°的相位以示波器的FFT做量测，你会得到(图九)。图九是以光标将相位量测出来，这个读值就会与数字示波器的分辨率有很大的关系。因为图九的相位垂直分辨率=22.5°/div，而每1div=50 Pixels，所以1个点(Pixel)=0.45°。这表示你每相差1Pixel就会有0.4°的误差，这个现象可以由(图十)右上方的读值与图九的读值比较得到(两个图形几乎一样)。

《图六》

利用FFT量测Phase时要注的是，你应该用Linear Mode的差补显示方式量测才是正确的。一般数字示波器的开机设定为Sin x/X的差补显示方式，这种模式不适合应用在Phase量测上。如果你不更改过来，你的FFT相为图形会如(图十一)(此处右上角的△=50°并不是前面例子的量测值=45°，只是让你看看Linear Mode与Sin x/X的差补显示方式不同之处而已)。

《图七》

计频器的量测方法

第1种方法：直接量测

《图八》

如果计频器有直接Phase的量测功能，你可以直接输入2个信号到计频器的CH A与CH B ，然后按下Phase的量测功能就可以得到Phase值了。当然你必须要使2个Channel的阻抗一样=50Ω，不然2个Channel因为反射所产生的波形不一样，或上升时间不一样，所得到的量测值一定不对。

另一个要注意的地方是触发点的位置是否相同，触发点的位置会与输入信号的振幅大小有关系。一般计频器在Auto Mode时都会自动去找出信号的50%位置，也就是说如果信号没有混入DC Level 的话，50%位置就是应该是信号的中心位置。如果要确定输入信号没有DC Level的成份存在，可改用变设定成AC Coupling，使DC成份去除，并将触发点的位置设定在同样的位置，这样量到的Phase才是正确的。

《图九》

以Stanford Research System,Inc公司出产的SR620通用计频器来说，它具有直接量测Phase的功能，如果依照上面的说明(见下面的设定)输入信号，所量测之数值为45.07°[Sample Size=22×10，GATE/ARM Mode=±Phase，Trigger=AUTO)

第2种方法：间接量测

《图十》

现在用计频器的另一种功能Delay(C1-C2)/Period间接将Phase换算出来，Delay(C1-C2)计频器的使用的名称为TimeA-B(即Channel A到Channel B的时间差)。当然计频器2个Channel内部本身之的Delay规格是与生俱来的，叫做System Error是可以计算消除的。另一个间接量测Phase的元素为Period，你可以利用直接输入1个信号到计频器的CH A计算即可，然后将Delay(C1-C2)/Period就可以得到Phase值了。输入信号的条件与前面的条件一样，你必须要使2个Channel的阻抗一样=50Ω，不使2个Channel有反射波产生，使上升时间不一样。

当然是触发点的位置是否相同也是要注意的地方，输入条件与前面是相同的。当然此处使用的信号源也是前面一样的系统，但是前面将2个信号输入示波器，将2个信号归零，而此处则是以计频器将Phase归零。归零的方法是按HP3336C的Phase键→使HP3336C出现0.00的Degree显示，然后按下0.00显示下方的数字改变键，改变HP3336C 输出的Degree值，使在计频器上的Delay(C1-C2)=0pS。当然此时的SR620设定为

GATE/ARM Mode=±±Time

Sample size=2×102

Channel A与Channel B的Trigger=AUTO

而SR620的(Time mode即为一般计频器的Time A-B mode。当然归零的值不可能完全=0，此时的值可能为90pS这样的值，这样的值已经很小了，可能是计频器的System Delay规格了(作者没有实际去计算SR620的System Delay规格，此处只是假设而已)。计频器归零后，再按下HP3336C的Blue Shift→Phase(ψAssign=0)，使Degree显示值此时=0.00°，此时的计频器与HP3336C与TEK SG5030的输出都是0.0°。

然后按下HP3336C的Phase键移动相位45.0°。此时的SR620计频器读出

Time A-B=12.508nS。然后我们改变SR620测试条件为量测Period，此时的SR620设定为

Mode=PER(Period)

Source=A

SR620计频器读出输入10MHz Sine波的Period=100.000nS。我们将±Time(Time A-B=12.508nS)的读值除以Period，就得到Phase的读值。

Phase=360°×(12.508/100.000)=45.0288°。当然Time A-B 只要有10pS的误差，就会有0.03°的Phase误差产生，所以如果在输入信号Delay=0时，SR620自身的System Delay Error=90 pS的话，那就有0.27°的误差。以SR620的Phase规格误差± 1nS×Frequency×360+0.001)°来计算，Phase= ±(1×10 ×10×10 ×360+0.001)°=±(0.360+0.001)°=± (0.361)°，可以得知量测的误差是正常的。

结论

Phase=360°×(12.508/100.000)=45.0288°。当然Time A-B 只要有10pS的误差，就会有0.03°的Phase误差产生，所以如果在输入信号Delay=0时，SR620自身的System Delay Error=90 pS的话，那就有0.27°的误差。以SR620的Phase规格误差± 1nS×Frequency×360+0.001)°来计算，Phase= ±(1×10 ×10×10 ×360+0.001)°=±(0.360+0.001)°=± (0.361)°，可以得知量测的误差是正常的。量测Phase的方法有很多种，你必须充分了解使用仪器的原理与误差规格，才能对量测的误差做正确的判决。使用数字示波器量测Phase其分辨率可能没有Counter来的好，但是你可以由以上的种种方法加以验证，确定其量测正确性。以Counter量测的缺点是，Counter只有一排的7段(Segment)显示值，如果信号量测错误了，你也无从判断此显示值是否是正确值?可能你会误认显示值就是对的，而得到一个错误的值。

《图十一》