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交流电在导线中的传播速度的新实验方案
[楼主] 作者:王普霖  发表时间:2019/02/05 00:51
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张操教授生前和他的学生做过一个实验,给出一个导线中交流电的传播速度超光速的判断结果。我按照张教授遗愿,准备重新做一个实验,对这个结果进行验证,但是我的实验方案有所改动。 

我们知道,从一个信号源出来的高频信号接到长短不同的两个回路中,若要用一个示波器检测终端电阻上的电压波形,就必须把两个终端放得比较近,因为示波器的探头线也就是1.5米长,两根的长度加起来最多到3米,这其中还含有不可弯折的BNC连接器和探头部分,因此,被测量的两回路终端电阻最大距离不会超过3米。这种情况就限制了回路长度比值加大。另外,由于实验用的是示波器普通探头,两探头的地在示波器内是连接在一起的,当两探头分别接到两终端电阻时,这段线会和两回路的地线相并联,改变了线路设计长度。因此用这种探头测量会造成很大的误差,使得实验结果的合法性出现问题。 

我设计的这个实验,跨接在两个终端电阻器上的示波器探头采用的都是差分探头。差分探头的优点是,它取的是被测信号两测试点之间的电压,两路信号可以完全没有共同的地线,这样就消除了共地问题。解决了共地问题,导线长度被并联短接的问题就彻底解决了。 

若想测量更大距离的回路,回路的终端电阻都要回到示波器附近,回路导线就要弯曲。回路导线都聚集在示波器附近,高频信号的互相感应也不好处理,为此我更改了原来容易受影响的那种实验方法,新的实验方案叙述如下: 

从信号发生器的信号输出BNC插座上通过分配器引出两路长度完全相等的同轴电缆(L1=L2),两路电缆的终端插头一个在南方,一个在北方。选择南北方向是为了消除一切由场物质运动速度带来的信号在两电缆中传输速度不同的可能。在南方和北方各有一个信号驱动器,它的作用是把测试回路和信号源及馈线隔离开,在南、北两地建立起两个独立的同步信号源。 

从南、北两个同步信号源上连接两个回路,向中点延伸。从南边信号源向北延伸过来的是两条水平平行线,从北边信号源向南延伸过去的是两条垂直平行线。这样做的目的是,防止两回路发生电磁互感,因为两个回路各自包围成的平面互相垂直且错开。最后,把两个终端电阻放在相距2米的位置即可。 

如果我要改变示波器两边回路的长度之比,我可以任意选择放终端电阻的位置(要保证两电阻相距2米不变),多余的线切掉。比如南北两地的距离是固定的202米,我可以选择南边的信号源到终端电阻器的距离为30米、北边的信号源到终端电阻器的距离为170米,剩下的2米就是两电阻器的距离。我根据电阻会合之处的位置移动我的示波器即可。我在终端电阻器上,使用两个差分探头,两边的信号无须共地,可以是完全电路隔离的。 

这样,我测试回路的长度都可以做得很大也不会互相干扰,这样就可提高灵敏度,既可以不使用价格非常昂贵的10G频率的数字示波器,也能容易得到精确的测试结果。 

实验方案我先公开给大家,大家可以讨论、提出意见。实验设备中提到的两个独立的信号驱动器,目前正在设计中。两个差分探头已经购买到。
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[楼主]  [2楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/02/05 15:29 

采用等长同轴电缆把从一个信号发生器发出的高频信号,分别向南北两个方向发送,从理论上保证了它们所载高频信号到达南北两放大器是同频率、同相位的。再在南北两地通过两个全差分放大器提供给测试回路信号,避免了长短不同的回路的信号通过信号源馈线互相串通。

信号驱动器是全差分放大器,可用电池供电,也避免了信号通过电源线路上的分布电容产生互相耦合。

它接收来自等长同轴电缆送过来的信号发生器发出的信号,经功率放大后输出一个相同的信号。这样,测试回路中的信号就来自这里,不再从信号发生器取。等长、南北走向的同轴电缆不会在空间上产生辐射电波,等价于两路信号是同频率、同相位发自南北两路信号驱动器。采用两个信号源的目的就是把两回路彻底拉开,不产生耦合。

两个独立并且相位同步的异地信号源,让信号都从远端向两端点中间的某部位传输,是解决两回路产生互感的关键。原来实验的信号都取自同一个信号源,是解决不了这个问题的。

过去用于测量的示波器探头,由于每个探头上都有RLC组成的衰减网络,这些东西对频率都是敏感的,对于不同的频率,测试仪器的线路上也会带来不同的相移。十分微小的相移就会改变结论。因为实验回路很短,产生的相移本身就很小,所以测量仪器产生的附加相移对测量的影响就严重得多。我增加两个回路的长度和长度之比,要让测量回路产生很大的相移供我们测量,将仪器产生的附加相移淹没掉。
[楼主]  [3楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/02/05 20:13 

看帖的人这么多,怎么一位提意见的朋友都没有?
[楼主]  [4楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/02/05 21:01 

在这里普及一下全差分运算放大器的知识:我们平常所用到的运算放大器有一个差分输入和一个放大器输出,从输出端输出的信号要经过一个信号地线返回。全差分运算放大器有一个差分输入,有一个正相的放大器输出,还有一个反相的放大器输出。它的输出相当于一个H形桥的输出,不仅具有输出功率大,还有驱动能力强的特点。这种形式的输出,在数字信号传播中用得很广泛,如RS422/RS485通讯,传输使用双绞线,距离达到几十公里都是不难的事。它使用的两个输出,都是有源放大器的输出,只不过输出的是数字逻辑电平而已。全差分运算放大器属于不常用的集成电路,它输出信号使用两条线,但没有一条是信号地线。
[楼主]  [5楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/02/06 20:08 

在示波器上使用差分探头,对测量有相当大的好处。我认为把差分电路直接做在示波器内,是将来示波器的发展趋势,虽然目前还没有任何一家示波器厂商这么干,目前的差分探头都是属于示波器外部可选配件单独出售。差分探头在国内的用量很小,国外情况不知道。根据我的了解,很多搞自动化设备的公司都没有使用过这样的东西,甚至都没有听说过。用量少是这种产品价格高昂的原因,目前国外知名品牌的差分探头,单价就有几万的,远超过常用示波器的价格。
[楼主]  [6楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/02/06 20:08 

再普及一下示波器差分探头的知识:普通示波器是双踪的(还有四踪的很少用),它们随仪器配带的探头线都是共地的。比如用两条线同时测量两节独立电池的电压,其测试过程中必然会出现示波器探头把两节电池的其中一端连接起来的问题。对于独立的两电池,这样测量不具有破坏性,但是对非独立的两电池,比如两电池串联了起来,我们要再把两探头分别接两个电池的正、负极,就要出危险了,因为示波器的地线会把两个电池中的一个给短路了。还有,我们要测量一个控制电路扳上的信号,同时还要对比观看它的控制对象,如可控硅桥路上的输出电压波形,普通示波器探头也不可用,因为探头线会把高电压引到示波器机箱上、低压电路板上,造成操作人员触电的危险。差分探头就不存在这种问题,对于两个串联的电池,我们可以把两个表笔任意接在两电池的任意部位而不发生问题。我们也可以调试控制电路板的同时观看高压输出信号。
[楼主]  [7楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/02/10 04:14 

和实验原理和电路有关的内容网上都能找到,我在这里只简单说一下原来的实验原理、问题和我重做这个实验的理由。张教授和他学生做的实验是从一个高频信号发生器的输出,把信号引到一长一短两个回路上,并在每个回路上都放一个电阻器。用示波器观察和测量两个电阻器上波形的相位差,获得电动势在导线中传播的时间。因为周期是已知的、长度是已知的、相位差是测量出来的,因此速度可以间接计算出来。

他们这个实验的原理是可取的,但是这个实验中具体问题多多,基本上都属于对信号传输过程中两回路通过空间互感、对两回路的反射、共地、测量仪器的相移特性等问题考虑不周。因为这个实验中的“长线”不过才几米,两回路引起的相位差实在是很低,那些设计不周的引起的相移,完全可以超出被侧回路上电动势传输时间导致的相移,使得结果变得完全不可信。

对这些存在的问题我进行了全面分析以后,提出了一个消除了这些问题的实验方案。
[楼主]  [8楼]  作者:王普霖  发表时间: 2019/02/10 10:08 

更正[7楼]“被侧回路”为“被测回路”。

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