Котрольные вопросы:

1. Перечислите осциллографические методы измерения частоты.

2. Какие методы сравнения используются для измерения частоты?

3. Поясните цифровой метод измерения частоты.

4. В чем заключается цифровой метод измерения интервалов времени?

Тема 5.2 Измерение фазового сдвига

5.2.1 Общие сведения

Одним из основных параметров электрических колебаний, определяющих состояние колебательного процесса в любой заданный момент времени, является фаза.

Наряду с фазой одного колебания интерес представляет соотношение фаз двух колебаний.

Необходимость в измерениях этих параметров возникает при исследовании усилителей, фильтров, линейных цепей, градуировке фазовращателей, снятии фазочастотных характеристик различных радиотехнических устройств и т.п.

Понятие «фаза» характеризует гармоническое (синусоидальное) колебание в любой конкретный момент времени.

Для гармонического колебания u₁(t) = U_m1sin(ωt+φ₁), имеющего амплитуду U_m1 и круговую частоту ω, текущая (мгновенная) фаза в любой момент времени t представляет собой весь аргумент функции φ(t) = ωt+φ_1, где φ₁ - начальная фаза.

Фазовым сдвигом Δφ двух гармонических сигналов одинаковой частоты u₁(t) = U_m1sin( ωt+φ₁ ) и u₂(t) = U_m2sin(ωt+φ₂) называют модуль разности их начальных фаз.

Δφ = |φ₁-φ₂|, (5.7)

Общепринято величину φ₁-φ₂ называть разностью фаз двух сигналов. Если начальные фазы φ₁ и φ₂ сигналов остаются неизменными, то фазовый сдвиг Δφ не зависит от времени.

Для двух гармонических колебаний с разными круговыми частотами ω₁ ,ω₂ и начальными фазами φ₁,φ₂, у которых нулевые значения амплитуд при переходе через ось абсцисс сдвинуты на интервал времени τ, разность фаз:

Δφ = (ω₁ - ω₂)τ+φ₁ - φ₂, (5.8)

Для негармонических колебаний понятие фазового сдвига заменяют понятием их сдвига во времени.

В этом случае измеряют время задержки одного сигнала относительно другого.

В зависимости от конкретной измерительной задачи и диапазона частот, в котором производятся измерения, требования к точности измерения фазового сдвига могут быть разными - от достаточно грубых измерений (с погрешностью измерения 1...5°) до весьма точных (0,01°).

Рисунок 5.3 Графики двух сигналов с одинаковыми периодами: а - гармонических; б - гармонического и негармонического

Измерение разности фаз колебаний с разными частотами редко представляет практический интерес. Поэтому обычно решают задачу измерения разности фаз двух гармонических колебаний с равными частотами. При этом фазовый сдвиг удобно представить в виде зависимости от сдвига сигналов во времени Δt, соответствующего их идентичным фазам. В частности, для двух гармонических сигналов u₁(t) = U_msinωt и u₂(t) = U/_msinω(t - Δt), имеющих одинаковый период Т = 2π/ω (рис. 5.3, а), фазовый сдвиг в радианах:

, (5.8)

Два сигнала с одинаковыми частотами называют синфазными, находящимися в квадратуре и противофазными, если фазовый сдвиг между ними равен 0, π/2 и π соответственно. Применительно к периодическим гармоническому и негармоническому сигналам (рис. 5.3,б) и двум негармоническим сигналам с одинаковым периодом Т используют понятие об их сдвиге (задержке) во времени Δt.

Измерение фазового сдвига осуществляют приборами, называемыми фазометрами, а в качестве мер сдвига применяют фазовращатели, т.е. линейные четырехполюсники, у которых выходной сигнал сдвинут по фазе относительно входного. Фазовращатели бывают регулируемыми и нерегулируемыми.

Для измерения фазового сдвига применяют различные методы измерений: осциллографические, компенсационный, преобразования фазового сдвига во временной интервал, цифровой (дискретного счета), преобразования частоты. Приборы для измерений фазового сдвига, реализующие перечисленные способы (кроме осциллографических), представлены аналоговыми и цифровыми электронными фазометрами, обеспечивающими измерения в диапазоне от инфразвуковых до высоких частот.