4.1.2 Измерение сдвига фаз

На рис. 4.6 приведена структурная схема и эпюры напряжений фазометра с измерением за один период (фазометр мгновенных значений).

Рисунок 4.6 – Структурная схема и временные диаграммы фазометра мгновенных значений

Формирователь Ф и устройство управления УУ из входных сигналов созда­ют последовательность импульсов с длительностями Т и Т. Ключ КЛ1 открывается на время Т, а ключ КЛ2 – на время Т, пропуская на счетчики СЧ1 и СЧ2 импульсы с частотой с генератора образцо­вой частоты ГОЧ. Счетчик СЧ1 осуществляет подсчет числа счетных им­пульсов , соответствующего периоду Т, а счетчик СЧ2 – числа счетных импульсов , со­ответствующего длительности Т. В арифметико-логическом устройстве АЛУ осуществляется вычисление величины фазового сдвига , которое отображается в цифровом отсчетном устройстве ЦОУ. Погрешность такого фазометра обусловлена в основном погрешностями формирования временных интервалов Т и Т, нестабильностью ГОЧ, а также погрешностями дискретности кодирования интервалов Т и Т  и . Погрешность дискретности кодирования интервала Т:

,

где f  частота входных сигналов. Отсюда видно, что с ростом f погрешность дискретности увеличивается и для ее уменьшения необходимо увеличивать частоту ГОЧ.

Недостатки такого фазометра: относительно узкий диапазон входных частот и большая погрешность измерения при наличии случайных помех и наводок в сигнале.

На рисунке 4.7 приведена схема и эпюры напряжений фазометра с постоянным временем измерения (фазометра с усреднением).

Рисунок 4.6 – Структурная схема и временные диаграммы фазометра с усреднением

Формирователь Ф формирует импульсы длительностью Т, пропорциональной измеряемому фазовому сдвигу. Ключ КЛ1 открывается на время Т и пропускает N счетных импульсов частотой с генератора образцовой частоты ГОЧ. Ключ КЛ2 открыт на длительное время измерения , формируемое устройством управления УУ с помощью делителя частоты ДЧ из импульсов высокостабильного ГОЧ. При этом время для постоянной частоты входного сигнала обычно выбирается кратным периоду входных сигналов, т. е. . Тогда счетчик за время подсчитает число импульсов:

,

где n  коэффициент деления делителя частоты.

Случайная погрешность здесь уменьшается за счет усреднения результата измерения. Источники погрешности в основном те же, что и для предыдущей схемы.

Недостаток фазометра  большое время измерения, зависящее от частоты исследуемого сигнала и необходимой точности измерений. Диапазон рабочих частот  от долей герца до единиц мегагерц, погрешности порядка 0,010,1⁰.

4.1.3 Измерение напряжения

Рассмотрим работу цифровых вольтметров постоянного тока с время-импульсным преобразованием. В основу принципа действия таких приборов положен время-импульсный метод преобразования постоянного напряжения в пропорциональный интервал времени с последующим измерением длительности интервала цифровым способом. Структурная схема вольтметра представлена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Структурная схема вольтметра с время-импульсным преобразованием

Измеряемое напряжение подаётся на входное устройство, в котором напряжение приводится к некоторому номинальному пределу с помощью делителя напряжения и далее поступает на усилитель постоянного тока. В усилителе оно усиливается до величины, не превышающей максимального уровня сигнала генератора линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), чтобы обеспечить сравнение этих напряжений. Запуск схемы осуществляется управляющим устройством, импульсы которого одновременно производят сброс счетчика перед каждым измерением и срабатывание формирователя измерительных импульсов. Работа цифровой части вольтметра поясняется временными диаграммами (рисунок 4.8).

Рисунок 4.8 – Диаграммы работы цифрового вольтметра, реализующего время-импульсный метод

Импульсы управляющего устройства (рисунок 4.8,а) запускают ГЛИН, вырабатывающий симметричное линейно-изменяющееся напряжение (рисунок 4.8,б). Это напряжение, являющееся образцовым, поступает на устройство сравнения (компаратор) двух напряжений, где производится сравнение измеряемого напряжения с выхода усилителя постоянного тока и напряжения ГЛИН. В момент равенства двух напряжений устройство сравнения вырабатывает импульс (рисунок 4.8,г), которым производится срабатывание формирователя импульсов, роль которого выполняет триггер с раздельным запуском. Другое срабатывание триггера осуществляется импульсом управляющего устройства, проходящего через линию задержки, осуществляющую задержку импульса на величину, равную половине прямого хода сигнала ГЛИН (рисунок 4.8,в). Таким образом, длительность импульса формирователя (рисунок 4.8,д) будет пропорциональна измеряемому напряжению

,

где k – коэффициент пропорциональности, характеризующий угол наклона пилообразного напряжения.

Импульс формирователя поступает на ключ, пропускающий за это время сигналы генератора счетных импульсов на вход счетчика. Цифровое измерительное устройство отображает на цифровом табло количество счетных импульсов (рисунок 4.8,е). Полярность измеряемого постоянного напряжения определяется очерёдностью срабатывания формирователя импульсов и соответствующий сигнал «» или «+» подаётся в цифровое измерительное устройство.

Погрешность измерения зависит от линейности и отклонения скорости изменения пилообразного напряжения от номинальной, стабильности частоты генератора счетных импульсов, чувствительности сравнивающего устройства, точности установки импульса нулевого уровня и др. Одним из основных недостатков вольтметров с время-импульсным преобразованием является влияние различных помех на результат измерения, в частности помех частоты 50 Гц промышленной сети. Наибольшая погрешность определяется пиковым значением напряжения помехи.