Phasenvergleich

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo liebe Experten,

ich möchte gerne die Phase von zwei Wechselspannungen im Bereich 35 KHz messen.

Ich habe angedacht, eine XOR-Schaltung zu nehmen, die es ermöglicht, die Phase zwischen zwei /digitalen/ Signalen zu messen. Mein Problem ist aber, daß ich sinusförmige Signale vergleichen möchte.
Ich könnte nun die sinusförmigen Signale mit einem OP in Rechteckschwingungen umwandeln. Aber das geht auch nicht zwingend einwandfrei, da die Amplitude meiner Signale variieren kann.

Zweite Idee ist, eine PLL zu nehmen. Gibt es da eine geeignete Schaltung In-Chip?

Gerade kommt mir eine dritte Idee: Ich substrahiere Signal 1 von Signal 2 und nenne das meine Phasendifferenz. Was haltet Ihr davon?

Grüße,

Bernhard

P.S.: Je genauer, je absoluter meine Meßvorrichtung ist, umso besser.

#2

Hallo liebe Experten,

Wieso liebe Expert en? Hier gibt es nur einen Experten, und der bin ich. Zweifellos.

Hallo Bernhard,

eine Phasenmessung ergibt ja einen Winkelwert. Im Gegensatz zu einer Spannung, die irgendwo „unten“ anfängt und „oben“ aufhört, gibt es kein Anfang und kein Ende des Messbereichs - ein Kreis hat nun mal keinen Anfang. Eine Zahlenangabe 0 - 360° ist eine Krücke. Technisch pflegt idealerweise man den Sinus und den Cosinus der Winkel zwischen den beiden Signale anzugeben. Klingt kompliziert, ist aber gerade in Deinem Fall gar nicht schlimm: Du brauchst nur einen Quadraturdemodulator zu bauen. Beruhigt Dich das?

Also: Zunächst muss man annehmen, dass beide Signale sinusförmig sind. Haben wir schonmal. Dann sollte mindestens einer weitgehend stabil sein (Oszillator). Von der wird ein amplitudengleiches 90°-Signal erzeugt (da ist das Problem mit der Frequenzstabilität: 90° Phasenverschiebung ist leicht mit R, C und Op-Amp zu erzeugen, aber bei wechselnden Frequenzen ändert sich die Amplitude ebenfalls, jedenfalls ohne Zusatzaufwand). Beide Signale, das 0° phasenverschobene und das 90° phasenverschobene werden mit dem anderen Signal multipliziert. Es ergeben sich am Ausgang der beiden Multiplizierer zwei demodulierte Signale, die je einen DC-Anteil und die doppelte Signalfrequenz haben. Per Tiefpass wird die doppelte Signalfrequenz ausgefiltert. Die Spannung aus dem einen Tiefpass zeigt nun in X-Richtung - nach rechts, wenn sie positiv ist, nach links, wenn negativ, und die Spannung aus dem anderen Tiefpass in Y-Richtung bzw. nach oben oder unten. Beide zusammen in Richtung des Phasenwinkels. Mit 2 ADCs könnte man die Werte für einen uP aufbereiten.

Das ganze nennt sich Quadraturdemodulator. Das gibt’s alles in einem IC, aber wer es von Hand bauen will, kann auch einzelne Multiplizierer nehmen. Wenn ich mich nicht irre, gibt es Bausteine bei Philips/Signetics, die heißen NE612 o. Ä. (irgendwo in den NE6xx), andere Multiplizierer sind auch möglich, aber nicht so einfach. Bis einige MHz müsste das gehen.

Welche Genaugkeit zu erreichen ist, hängt von vielen, von Dir nicht genannten Randbedingungen ab.

Und wenn’s trivial sein soll: Der immer wieder aus dem Hut gezauberte PIC, zwei Komparaturen davor, der Rest ist Software. Hat natürlich auch Grenzen.

„So genau wie möglich“ kostet, wenn ich den Spruch ernst nehmen soll, einig -zig Tausen Euro (vielleicht geht’s mit ein paar Millionen noch besser) - also, was darf’s nun sein?

Grüße

Uwe

#3

Wenn es reicht …
Hallo Bernhard,

Ich könnte nun die sinusförmigen Signale mit einem OP in
Rechteckschwingungen umwandeln. Aber das geht auch nicht
zwingend einwandfrei, da die Amplitude meiner Signale
variieren kann.

kannst Du denn nicht in erster Näherung den 0-Durchgang nehmen? Wenn die Frequenz „klar“ ist, kannst Du ja auch einfache Fehelrkorrekturen einbauen. Mit einem µController ausgewertet ist das ganze keine kunst. Oder eine Konstantstromquelle, die je nach Signal hoch oder runterfährt.

P.S.: Je genauer, je absoluter meine Meßvorrichtung ist, umso
besser.

Wie Uwi schon sagt, das ist sehr sehr relativ.

Gruß´
achim

#4

Stop, so nicht !!!
Hallo,

Wie Uwi schon sagt, das ist sehr sehr relativ.

Ich warne Dich eindringlich vor Namensmißbrauch :frowning:(

Ich habe hier in dieser Sache nie, nimmer , gar nix gesagt!

Gruß Uwi

#5

Tschuldigung :wink:
eigentlich sind doch alle guten Artikel von Dir. Hab mich hier dann wohl vertan!

Gruß
achim

#6

Hallo Bernhard,

ich möchte gerne die Phase von zwei Wechselspannungen im
Bereich 35 KHz messen.

Ich habe angedacht, eine XOR-Schaltung zu nehmen, die es
ermöglicht, die Phase zwischen zwei /digitalen/ Signalen zu
messen.

Richtig, so macht man das im Allgemeinen. Mit einem Tiefpass hinter dem XOR bekommst Du dann eine lineare Spannung von 0…Ub entsprechend 0…180° bzw. Ub…0 entsprechend 180…360°.

Mein Problem ist aber, daß ich sinusförmige Signale
vergleichen möchte.
Ich könnte nun die sinusförmigen Signale mit einem OP in
Rechteckschwingungen umwandeln. Aber das geht auch nicht
zwingend einwandfrei, da die Amplitude meiner Signale
variieren kann.

Wo ist da das Problem ? Du nimmst zwei Komparatoren, z.B. LM 393 und läßt diese im Nulldurchgang schalten. Hinten bekommst Du dann einen sauberen symmetrischen Rechteck.

Zweite Idee ist, eine PLL zu nehmen. Gibt es da eine geeignete
Schaltung In-Chip?

Das bringt eher nichts

Gerade kommt mir eine dritte Idee: Ich substrahiere Signal 1
von Signal 2 und nenne das meine Phasendifferenz. Was haltet
Ihr davon?

da kannst Du genauso gut das 180° phasenverschobene Signal addieren. Das Ergebnis ist eine phasenabhängige Amplitude des Summensignals. Der Zusammenhang ist aber nicht linear sondern so sinusförmig wie das Signal selbst und natürlich noch von der Signalamplitude abhängig. Das bringt also auch nichts

P.S.: Je genauer, je absoluter meine Meßvorrichtung ist, umso
besser.

Die XOR-Methode ist beliebig genau soweit es die verwendeten Bauteile und die Schaltung zulassen.

Jörg

#7

Oih …

eigentlich sind doch alle guten Artikel von Dir.

… also ist das nun ein echtes Kompliment
(und krieg ich dann endlich auch mal 'ne Fanpage ???),

oder willst Du mich hier zur Unperson machen …
mal ehrlich, es gibt noch viele andere gute Elektroniker hier :smile:

Hab mich hier dann wohl vertan!

Ja, so kann’s gehn. Schnell springt man mit aller Macht ins kleine
Töpfchen mit den gesättigten Fettsäuren.
Gruß Uwi

#8

Hallo Bernhard und Jörg,

Die XOR-Methode ist beliebig genau soweit es die verwendeten
Bauteile und die Schaltung zulassen.

Nur ist sie doppeldeutig und daher in vielen Fällen unbrauchbar. Es lässt sich nicht zwischen positiven und negativen Phasenwinkeln unterscheiden. Wenn man weiß, dass die Phasenverschiebung nur 0 bis 180° sein kann (Drehstromphasen), ist es ok, aber z. B. +10° und -10° oder 175° und 185° lassen sich nicht unterscheiden.

Außerdem ist die Genauigkeit nicht nur von der Schaltung und deren Bauelementren abhängig, sondern auch von der Präzision der Umformung des Sinussignals in ein Rechtecksignal mit 1:1 Tastverhältnis (was im Prinzip wieder weitgehend „Schaltung“ ist, vielleicht aber nicht sofort als ebenfalls entscheidend erkennbar und evtl. gar nicht trivial ist, wenn der Sinus z. B. gar nicht so sinusförmig ist -> Drehstrom aus dem Netz).

Grüße

Uwe (der ohne „i“ am Ende :wink:

#9

Hallo Bernhard und Uwe,

Die XOR-Methode ist beliebig genau soweit es die verwendeten
Bauteile und die Schaltung zulassen.

Nur ist sie doppeldeutig und daher in vielen Fällen
unbrauchbar. Es lässt sich nicht zwischen positiven und
negativen Phasenwinkeln unterscheiden. Wenn man weiß, dass die
Phasenverschiebung nur 0 bis 180° sein kann (Drehstromphasen),
ist es ok, aber z. B. +10° und -10° oder 175° und 185° lassen
sich nicht unterscheiden.

Wenn der volle Meßbereich von 0…360° gefordert ist, ist das auch kein großes Problem. Dann verwendet man eben statt des XOR-Gatters ein flankengetriggertes RS-Flipflop. Problematisch kann höchstens der Übergang von 0 auf 360° werden, da hier die Ausgangsspannung zwischen 0 und Ub hin und herspringen kann

Außerdem ist die Genauigkeit nicht nur von der Schaltung und
deren Bauelementren abhängig, sondern auch von der Präzision
der Umformung des Sinussignals in ein Rechtecksignal mit 1:1
Tastverhältnis (was im Prinzip wieder weitgehend „Schaltung“
ist, vielleicht aber nicht sofort als ebenfalls entscheidend
erkennbar und evtl. gar nicht trivial ist, wenn der Sinus z.
B. gar nicht so sinusförmig ist -> Drehstrom aus dem Netz).

wenn die Spannung nicht sinusförmig ist, fragt sich sowieso, ob eine präzise Messung noch Sinn macht. Ansonsten kann man die Phase der Grundwelle genau messen, indem man beide Signale über zwei jeweils identische Band- oder Tiefpassfilter „säubert“ und anschließend mit zwei identischen Komparatoren in Rechtecksignale umwandelt. Das Tastverhältnis geht beim flankengetriggerten RS-FF selbstverständlich nicht in das Messergebnis ein.

Jörg

#10

Hallo Bernhard und Jörg,

Wenn der volle Meßbereich von 0…360° gefordert ist, ist das
auch kein großes Problem. Dann verwendet man eben statt des
XOR-Gatters ein flankengetriggertes RS-Flipflop. Problematisch
kann höchstens der Übergang von 0 auf 360° werden, da hier die
Ausgangsspannung zwischen 0 und Ub hin und herspringen kann

Und so ein flankengetriggertes RS-Flipflop findet man als Phasenkomparator II (oder III?) in einer ‚4046 (als Tip für Bernhard, und als „Duftmarke“, dass keiner glaubt, ich tät‘ mich nich auskenn’ tun… :wink:))

wenn die Spannung nicht sinusförmig ist, fragt sich sowieso,
ob eine präzise Messung noch Sinn macht. Ansonsten kann man
die Phase der Grundwelle genau messen, indem man beide Signale
über zwei jeweils identische Band- oder Tiefpassfilter
„säubert“ und anschließend mit zwei identischen Komparatoren
in Rechtecksignale umwandelt. Das Tastverhältnis geht beim
flankengetriggerten RS-FF selbstverständlich nicht in das
Messergebnis ein.

Auch völlig richtig.

Lieber Bernhard, wie Du siehst, ist selbst ein einfacher Phasenkomparator ein halbes Lehrbuch für sich, und Deine Frage zu beantworten ist, wie bei so vielen anderen Fragen, eigentlich wenig sinnvoll, weil die Randbedingungen völlig unbekannt sind, und die Antwort mit allen Wenns und Abers ein halbes Buch füllen würde. Wohlmöglich suchst Du dann doch noch was anderes, als wir versuchen, zu erklären.

Nur - wer nix fragt, bleibt dumm.

Grüße

Uwe

#11

Hallo Uwe,

Und so ein flankengetriggertes RS-Flipflop findet man als
Phasenkomparator II (oder III?) in einer ‚4046 (als Tip für
Bernhard, und als „Duftmarke“, dass keiner glaubt, ich tät‘
mich nich auskenn’ tun… :wink:))

sorry, wen ich Dir da ein Wenig widersprechen muß. Der Phasenkomparator II ist zwar flankengetriggert, aber kein RS-Flipflop. Vielmehr handelt es sich um ein Tri-State-Flipflop. Eigentlich sind es 2 FFs, die aber nur 3 statt 4 Zustände annehmen können und einen Tri-State-Ausgang ansteuern. Dieser Komparator ist optimal für PLL-Frequenzsynthese. Die Beschaltung für Meßzwecke ist etwas umständlicher, dafür ist er im Bereich um 0° sehr genau und hat keinen Spannungssprung.
Phasenkomparator III gibt es nur in den HC-Versionen. Der ist zwar tatsächlich ein RS-Flipflop, aber nicht flankengetriggert.

Jörg

#12

Hallo Jörg,

sorry, wen ich Dir da ein Wenig widersprechen muß.

Is’ scho’ recht…

Der
Phasenkomparator II ist zwar flankengetriggert

'türlich.

Phasenkomparator III gibt es nur in den HC-Versionen.

Den meinte ich. Hatte überlegt, statt '4046 74HC(T)4046 zu schreiben, war dann zu faul…

zwar tatsächlich ein RS-Flipflop, aber nicht
flankengetriggert.

Da bin ich zwar vom Gegenteil überzeugt, aber nur wenn’s nochmal wichtig für mich wird, werde ich das genauer untersuchen, im Moment will ich aber Ruhe geben.

Danke, Grüße

Uwe