5.2.3. Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал

Структурная схема устройства, преобразующего фазовый сдвиг во временной интервал и эпюры, поясняющие его работу, показаны на рис. 5.6. Устройство включает преобразователь Δφ → Δt искомого фазового сдвига Δφ в интервал времени Δt и измерительный прибор. Преобразователь Δφ → Δt имеет одинаковые формирователи Ф1 и Ф2 и триггер Т. Синусоидальные сигналы u₁ и u₂ имеющие некоторый фазовый сдвиг Δφ подают на идентичные формирователи Ф1 и Ф2, преобразующие их в последовательности коротких импульсов u₃ и u₄ (рис. 5.6,б). Импульсы u₃ запускают, а импульсы u₄ сбрасывают триггер Т в исходное состояние. В результате на выходе триггера формируют периодическую последовательность импульсов напряжения, период повторения и длительность которых равны периоду Т и сдвигу во времени Δt исследуемых сигналов u₁ и u_2.

Рисунок 5.6 Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал:

а) схема измерения; б) эпюры сигналов

Импульсы, поступая на резистор R, соединенный с измерительным прибором - микроамперметром μА, преобразуют в последовательность импульсов тока i с аналогичными периодом и длительностью и амплитудой I_m (см. рис. 5.6,б). В качестве измерительного прибора применяют микроамперметр магнитоэлектрической системы, реагирующий на среднее значение тока i за период Т. Пусть I_ср - среднее значение протекающего через прибор тока i. Тогда его показание определится как:

, (5.13)

где Δφ - измеряемый фазовый сдвиг.

Шкалу микроамперметра градуируют непосредственно в градусах. Измеренное значение фазового сдвига является средним за время измерения. Рассмотренное устройство - прямопоказывающий фазометр. Диапазон его рабочих частот ограничен снизу инерционностью магнитоэлектрического микроамперметра, а сверху - конечностью длительностей фронтов импульсов формирователей, влияющих, на работу триггера Т. Аналоговые фазометры измеряют фазовый сдвиг сигналов в диапазоне частот 20...10⁶ Гц с погрешностью ± 1...2⁰.

5.2.4 Цифровые фазометры

Большинство цифровых фазометров близки по принципу действия к цифровым измерителям интервалов времени и работают по методу дискретного счета. Метод дискретного счета (более точно - цифровой метод измерения фазового сдвига), используемый в цифровых фазометрах, включает две операции: преобразование фазового сдвига в интервал времени и измерение интервала времени методом дискретного счета.

Структурная схема цифрового фазометра, реализующая метод дискретного счета, содержит преобразователь искомого фазового сдвига Δφ в интервал времени Δt (Δφ —> Δt), временной селектор ВС, формирователь счетных импульсов f/nf, счетчик СЧ и цифровое отсчетное устройство ЦОУ (рис. 5.7,а).

Временной селектор представляет собой ключевую логическую схему. Формирователь счетных импульсов построен на базе умножителя частоты входного сигнала и схемы формирования выходных импульсов.

Рисунок 5.7 Цифровой метод измерения фазового сдвига:

а - структурная схема; б - временные диаграммы

Цифровой фазометр работает следующим образом. Преобразователь Δφ → Δt из подаваемых на его входы синусоидальных сигналов u₁ и u₂ с фазовым сдвигом Δφ формирует последовательность прямоугольных импульсов u₃ (рис. 5.7,б), имеющих длительность Δt и период повторения Т, равные соответственно сдвигу во времени и периоду сигналов u₁ и u₂. Импульсы u₃, а также счетные импульсы u₄, вырабатываемые формирователем счетных импульсов, подают на входы временного селектора. Селектор открывают на время, равное длительности Δt импульсов u₃, и в течение этого интервала пропускает на вход счетчика импульсы u₄. На выходе селектора формируют пакеты импульсов u₅, следующие с периодом Т.

Измерение проводится за один период Т следования сигналов u₁ и u₂ (схема управления, обеспечивающая такой режим измерения, на рис. 5.7,а для упрощения не приведена). При этом на счетчик с выхода селектора поступает количество импульсов, Содержащееся в одном пакете:

n = Δt/Т_о/, (5.14)

В цифровых фазометрах период следования счетных импульсов формирователя для удобства схемной реализации принимают Т_о = Т/(36·10^m), m = (1, 2, 3...).

Выражение для измеряемого фазового сдвига сигналов u₁ и u₂:

, (5.15)

Фазовый сдвиг Δφ пропорционален числу счетных импульсов n, поступивших на счетчик. Кодовый сигнал со счетчика, пропорциональный фазовому сдвигу Δφ, подают на ЦОУ, показания которого выдаются в градусах при m = 1, с учетом десятых долей градуса при m = 2 и т.д.

Погрешность данного цифрового фазометра определяется погрешностями дискретности и аппаратуры. Погрешность дискретности связана с тем, что интервал времени Δt можно изменить с точностью до одного периода счетных импульсов. Аппаратурная погрешность определяется отклонением длительности от Δt, нестабильностью преобразователя Δφ —> Δt и пр.