90度相位標(biāo)準(zhǔn)電路及獲得90度相位標(biāo)準(zhǔn)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電磁測量領(lǐng)域，尤其是一種90度相位標(biāo)準(zhǔn)電路及獲得90度相位標(biāo)準(zhǔn) 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相位是電磁測量領(lǐng)域最重要的參數(shù)之一，其測量準(zhǔn)確度對功率、電能等的測量有 重要影響。交流電路中的元件并非理想元件，測量電壓和電流所用的分壓器、分流器、互感 器等均存在一定角差，使被測信號產(chǎn)生一定相移，從而影響了功率測量準(zhǔn)確度，且隨著線路 功率因數(shù)的降低，角差對功率測量準(zhǔn)確度的影響更為顯著。目前，廣泛使用的相位表、頻率 分析儀、標(biāo)準(zhǔn)電能表等的相位測量準(zhǔn)確度不斷提高，因而需要更高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的相位 標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0003] 傳統(tǒng)的相位標(biāo)準(zhǔn)源利用無源器件構(gòu)成的移相網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)電阻、電容等模 擬元器件的值實現(xiàn)相位的調(diào)整，而模擬器件受溫度、濕度等環(huán)境條件的影響較大，且穩(wěn)定性 也難以保證，故傳統(tǒng)相位標(biāo)準(zhǔn)源的移相準(zhǔn)確度受到限制；數(shù)字技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了基于數(shù)字 波形合成技術(shù)的相位標(biāo)準(zhǔn)源，它建立在數(shù)字采樣理論的基礎(chǔ)上，直接從相位概念出發(fā)把一 系列數(shù)字形式的信號通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號，相對于傳統(tǒng)的相位標(biāo)準(zhǔn)源，它的穩(wěn)定性、準(zhǔn) 確度得到大大提高。
[0004] 目前準(zhǔn)確度最高的相位標(biāo)準(zhǔn)源最大允許誤差僅為±0. 005°，且價格昂貴。針對低 功率因數(shù)下相位的校準(zhǔn)，有必要提供一種高準(zhǔn)確度的相位標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種90度相位標(biāo)準(zhǔn)電路及獲得90度相位標(biāo)準(zhǔn)的方法，以 解決現(xiàn)有的相位標(biāo)準(zhǔn)源成本高、準(zhǔn)確度差的問題。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種90度相位標(biāo)準(zhǔn)電路，包括交流電源、分壓 器、積分電路、微分電路和反相加法電路，所述交流電源通過分壓器分出兩個幅值相等、相 位相反的第一輸出電壓和第二輸出電壓，所述積分電路的輸入端與第一輸出電壓連接，輸 出端與所述反相加法電路的一輸入端連接，所述微分電路的輸入端與第二輸出電壓連接， 輸出端與所述反相加法電路的另一輸入端連接，所述反相加法電路根據(jù)其兩個輸入端的電 壓獲得與所述第一輸出電壓相位差為90度的輸出電壓。
[0007] 進(jìn)一步地，所述積分電路包括第一運算放大器、第一電阻和第一電容，所述微分電 路包括第二運算放大器、第一電阻和第一電容。
[0008] 進(jìn)一步地，所述反相加法電路包括第三運算放大器和三個第二電阻，一個所述第 二電阻設(shè)置在第三運算放大器的反相端入端和輸出端之間，其他兩個所述第二電阻分別設(shè) 置在積分電路的輸出端與第三運算放大器的反相輸入端之間及微分電路的輸出端與第三 運算放大器的反相輸入端之間。
[0009] 進(jìn)一步地，所述分壓器為感應(yīng)分壓器、電阻分壓器或電容分壓器。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種獲得90度相位標(biāo)準(zhǔn)的方法，設(shè)置包括交流電源、分壓器、積 分電路、微分電路和反相加法電路的電路，所述交流電源通過分壓器分出兩個幅值相等、相 位相反的第一輸出電壓和第二輸出電壓，所述積分電路的輸入端與第一輸出電壓連接，輸 出端與所述反相加法電路的一輸入端連接，所述微分電路的輸入端與第二輸出電壓連接， 輸出端與所述反相加法電路的另一輸入端連接，所述反相加法電路根據(jù)其兩個輸入端的電 壓獲得與所述第一輸出電壓相位差為90度的輸出電壓。
[0011] 進(jìn)一步地，所述積分電路包括第一運算放大器、第一電阻和第一電容，所述微分電 路包括第二運算放大器、第一電阻和第一電容，，選取第一電阻和第一電容使得ω RsCs = 1，ω為角頻率，Rs為所述第一電阻的電阻實際值，CsS所述第一電容的電容實際值，進(jìn)而使 得在滿足 wRiA= 1的角頻率時，所述反相加法電路的輸出端的輸出電壓與所述第一輸出 電壓的相位差為90度。
[0012] 進(jìn)一步地，所述反相加法電路包括第三運算放大器和三個第二電阻，一個所述第 二電阻設(shè)置在第三運算放大器的反相端入端和輸出端之間，其他兩個所述第二電阻分別設(shè) 置在積分電路的輸出端與第三運算放大器的反相輸入端之間及微分電路的輸出端與第三 運算放大器的反相輸入端之間。
[0013] 進(jìn)一步地，所述分壓器為感應(yīng)分壓器、電阻分壓器或電容分壓器。
[0014] 本發(fā)明提供了一種90度相位標(biāo)準(zhǔn)電路及獲得90度相位標(biāo)準(zhǔn)的方法，消除了電阻 時間常數(shù)和電容損耗因數(shù)的影響，獲得了高準(zhǔn)確度的90度相位信號，而且，輸出電壓的幅 值穩(wěn)定，不隨頻率變化。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明實施例提供的90度相位標(biāo)準(zhǔn)電路的原理圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面將結(jié)合示意圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行更詳細(xì)的描述。根據(jù)下列描述和 權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均 使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
[0017] 如圖1所示，本發(fā)明實施例提供了一種90度相位標(biāo)準(zhǔn)電路，包括交流電源Us、分壓 器Ts、積分電路、微分電路和反相加法電路，所述交流電源Us通過分壓器Ts分出兩個幅值 相等、相位相反的第一輸出電壓Ul和第二輸出電壓U2,所述積分電路的輸入端與第一輸出 電壓Ul連接，輸出端與所述反相加法電路的一輸入端連接，所述微分電路的輸入端與第二 輸出電壓U2連接，輸出端與所述反相加法電路的另一輸入端連接，所述反相加法電路根據(jù) 其兩個輸入端的電壓獲得與所述第一輸出電壓相位差為90度的輸出電壓U3。
[0018] 在本實施例中，所述積分電路包括第一運算放大器Al、第一電阻R和第一電容C， 所述微分電路包括第二運算放大器A2、第一電阻R和第一電容C。
[0019] 在本實施例中，所述反相加法電路包括第三運算放大器A3和三個第二電阻Rl，一 個所述第二電阻Rl設(shè)置在第三運算放大器A3的反相端入端和輸出端之間，其他兩個所述 第二電阻Rl分別設(shè)置在積分電路的輸出端與第三運算放大器A3的反相輸入端之間及微分 電路的輸出端與第三運算放大器A3的反相輸入端之間。
[0020] 所述分壓器為感應(yīng)分壓器、電阻分壓器或電容分壓。在本實施例中，所述分壓器采 用感應(yīng)分壓器，并具有三個電壓輸出端子，中間電壓端子接地，另外兩個電壓端子處的第一 輸出電壓Ul和第二輸出電壓U2的幅值相等，相位相反，因此，
[0021] U1=-U2
[0022] 積分電路的輸出信號Uol為：
[0023]
[0024] 式中，ω為角頻率。
[0025] 微分電路的輸出信號Uo2為：
[0026]
[0027] 反相加法電路的輸出電壓U3為：
[0028]
[0029] 結(jié)合以上三式可得：
[0030]
[0031] 第一電阻R存在時間常數(shù)，第一電容C存在損耗因數(shù)，均會產(chǎn)生相移，設(shè)
[0032]
[0033]
[0034] 式中，馬為電阻實際值，α為時間常數(shù)引起的角差，CsS電容實際值，β為電容損 耗引起的角差，綜合上述公式可得：
[0035]
[0036] 選取合適的第一電阻R和第一電容C，使得：
[0037]
[0038] α和β均為極小量，則：
[0039]
[0040] 則電路輸出電壓U3幅值為第一輸出電壓Ul的兩倍，相位延遲90°。由此得到準(zhǔn) 確的90°相位標(biāo)準(zhǔn)。
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