7.4 Измерение фазовых сдвигов электрических сигналов

7.4.1 Общие сведения

Измерение фазовых сдвигов между электрическими сигналами производится в самых различных областях измерительной техники, техники связи, телевидения, радиолокации и т.д. При этом измерения могут производиться между током и напряжением, а также между двумя напряжениями.

Измерение фазового сдвига между двумя напряжениями производится при определении фазочастотных характеристик различных радиотехнических устройств и систем. В ряде случаев приходится измерять не фазовый, а временной сдвиг между напряжениями.

Измерение фазового сдвига между токами и напряжениями производится с помощью логометрическими фазометрами электромагнитной, электродинамической и ферродинамической системы.

Измерение фазовых сдвигов между напряжениями может производиться различными методами, среди которых наиболее распространены:

метод преобразования фазового сдвига в пропорциональный ток;

компенсационный метод;

осциллографический метод;

электронно-счетный метод.

Рассмотрим электронно-счетный метод измерения фазовых сдвигов.

7.4.2 Электронно-счетный метод измерения фазовых сдвигов.

Электронно-счетный метод измерения фазовых сдвигов между двумя напряжениями синусоидальной формы одинаковой частоты заключается в преобразовании фазового сдвига в пропорциональный временной интервал с последующим его измерением методом дискретного счета. Фазометры, измеряющие фазовый сдвиг такими методами, называются электронно-счетными фазометрами.

В электронно-счетных фазометрах фазовый сдвиг между двумя сигналами определяют методом дискретного счета периода сигнала Т и временного сдвига ΔТ с последующим вычислением по формуле

φ = 360⁰ . (7.22)

На рис. 7.12 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы таких фазометров.

Рис. 7.12. Временные диаграммы работы фазометра

Как видно из диаграмм, сначала измеряют период сигнала Т путем определения числа импульсов кварцевого генератора с периодом следования То, сосчитанных цифровым счетчиком за время, равное периоду сигнала, т.е.,

Т = NТо.

Затем при подаче на фазометр обоих сигналов u₁ и u₂ фазовый сдвиг преобразуют во временной интервал, который измеряют аналогично периоду:

ΔТ = nТо

На основании формулы 7.22 фазовый сдвиг определяют следующим выражением

φ = 360⁰ . (7.23)

Фазометры, измеряющие фазовый сдвиг по такой методике, позволяют получить высокую точность измерений только на низких частотах при значительных фазовых сдвигах из-за ошибки дискретности счета.

Повышение точности измерения может быть достигнуто на высоких частотах путем преобразования их в пропорциональный временной интервал с последующим усреднением методом дискретного счета в течение времени, во много раз превышающего период сигналов.

Упрощенная структурная схема фазометра, который измеряет фазовый сдвиг по такой методике, изображена на рис. 7.13. Как видно из рис 7.13, схема состоит их двух каналов – опорного и измерительного, коммутатора, триггера, временного селектора, генератора импульсов, управляющего устройства, реверсивного счетчика и цифрового индикатора. Синусоидальные сигналы u₁ и u₂, временной сдвиг между которыми ΔТ пропорционален фазовому сдвигу φ, через входные устройства опорного и измерительного каналов подаются на коммутатор.

Рис. 7.13. Структурная схема высокочастотного фазометра

Кроме того, сигнал опорного канала после формирующего устройства, преобразующего синусоидальный сигнал в импульсную последовательность, подается на один из входов триггера.

Коммутатор периодически, на время намного превышающее период входного сигнала, подключает входное устройство к фазовращателю, который создает дополнительный фазовый сдвиг. Далее этот сигнал подается на формирующее устройство, преобразующее его в короткие импульсы, которые подаются на второй вход триггера.

Рис. 7.14. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия высокочастотного фазометра

Триггер формирует строб-импульс, длительность которого пропорциональна фазовому сдвигу (основному + дополнительный) между напряжениями опорного и измерительного каналов. Строб-импульс подается на один из входов временного селектора и открывает его на время

τ = Т ,

где φ – фазовый сдвиг между сигналами;

δ – дополнительный фазовый сдвиг за счет фазовращателя.

На второй вход временного селектора поступают короткие импульсы от генератора импульсов с периодом То. Количество импульсов, сосчитанных реверсивным счетчиком, за первый полупериод коммутации, равно

Во второй полупериод коммутации, когда на формирующее устройство измерительного канала подается сигнал опорного генератора, длительность строб-импульса. Определяемая фазовым сдвигом внутреннего фазовращателя, равна:

При этом счетчик реверсируется и из суммы импульсов n׳, сосчитанных в первый полупериод коммутации, вычитается количество импульсов

Результат измерения при этом равен:

где К – постоянная прибора.

Применение в схеме дополнительного фазовращателя вызвано необходимостью увеличения точности измерения малых фазовых сдвигов.