4.7. Средства измерения фазового сдвига

Часто требуется измерять время запаздывания прохождения сигнала через цепи или среду ΔТ. Запаздывание приводит к сдвигу фазы выходного напряжения относительно фазы входного. Этот сдвиг фаз довольно часто требуется измерять с большой точностью как на малых, так и на очень высоких частотах. Наиболее удобные методы измерения фазовых сдвигов, обеспечивающие хорошую точ­ность измерений, разработаны для фазометров и дальномеров [16].

(21).

Измерение разности фаз осуществляется следующими основными методами:

— осциллографическим, основанном на преобразовании разности фаз в некоторую траекторию движения луча на экране осциллографа, по которой определяется разность фаз;

— с преобразованием разности фаз в ток или напряжение и последующим измерением этих величин;

---компенсационным, путем сдвига фаз в специальных фазовращателях

на величину, равную разности фаз исследуемых напряжений, и отсчета этой величины по шкале или цифровому устройству калиброванного фазовращателя , когда эти разности фаз будут равны,

— цифровым, путем преобразования разности фаз в цифру, которая считывается с цифрового отсчетного устройства.

Для фазометров характерна систематическая погрешность двухканальности. Входные сигналы опорный и измеряемый, проходя по различным каналам смещаются по фазе на различную величину, что вызывает дополнительную разность фаз. Эта погрешность аддитивна и может определятся при подключении в оба канала одного и того же сигнала, при этом входная разность фаз равна нулю. Второй метод позволяет исключить систематическую погрешность при измерении разности фаз дважды : если при первом измерении результат -- , а после смены опорного и измеряемого сигнала на входах прибора -- , то погрешность будет исключена при вычислении среднеарифметического значения.

Компенсационный (нулевой) метод измерения разности фаз используется в широком диапазоне частот до СВЧ включительно. При этом в качестве калиброванных фазовращателей используются самые разнообразные устройства от линии задержки до ферритовых и диэлектрических СВЧ диапазона.

Рассмотрим преобразование в цифровом фазометре. Структурная схема цифрового фазометра средних значений приведена на рисунке 4.10 а.

В схеме имеются два формирующих устройства, управляющее устройство и первый селектор, которые выполняют функции, аналогичные рассмотренным выше в частотомере. Для того чтобы импульсы считались в течение нескольких периодов исследуемого напряжения, предусмотрен второй селектор, который открывается управляющим импульсом длительностью Т_у. Этот импульс вырабатывается делителем частоты ДЧ, включенным после генератора счетных импульсов. Таким образом, длительность импульса Т_у пропорциональна периоду следования счетных импульсов:

Т_у = mТ_сч,

где m — коэффициент деления частоты.

После первого временного селектора величина группы импульсов зависит от интервала, определяющего смещение измеряемого напряжения относительно опорного по фазе. Каждая группа импульсов поступает в течение одного периода сигнала. Второй временной селектор позволяет просуммировать группы импульсов электронным счётчиком ЭС за время Т_у.

В течение времени усреднения на электронный счетчик пройдет несколько групп импульсов. Число групп определяется отношением времени усреднения к периоду измеряемого напряжения Т_у /Т_х, а число импульсов в группе – отношением длительности интервала Т к периоду счетных импульсов Т/ Т_сч. Общее число импульсов, прошедших на счетчик составит

Рис. 4.10. Фазометр средних значений

а-- структурная схема; б-- диаграмма

Выбор коэффициента деления m определяет цену деления счетного импульса. При m = 3600, счетный импульс составит 0,1º.

Исключение этой погрешности двухканальности цифровых фазометров обычно производится автоматически. Случайная погрешность дискретизации составляет одну пачку импульсов или -- относительное уменьшение этой погрешности происходит при увеличении числа N, т.е. при увеличении частоты измеряемого напряжения, так как при этом увеличивается число сосчитанных пачек импульсов.

Для расширения частотного диапазона измерителей разности фаз применяется гетеродинное преобразование частоты, как в опорном, так и измеряемом сигнале. При этом разность фаз переносится на разностную частоту. В фазовом светодальномере [17] рассматривается применение деления частоты сигнала для определение цифрового отчёта измеряемого расстояния. В светодальномере [18] рассматривается двойное преобразование частоты гармонического сигнала с целью расширение диапазона измерения. При этом частота выходного сигнала остаётся равной частоте входного.

Поверка средств измерений фазового сдвига производится на основании нормативных документов по поверке . При этом выполняются следующие операции: внешний осмотр, опробование, определение коэффициента стоячей волны (КСВ) входа фазометра и фазовращателей (для средств СВЧ). Определение развязки между входными каналами фазометра в рабочем диапазоне частот.

Коэффициент стоячей волны входов фазометров определяют методами прямых и косвенных измерений с помощью измерительных линий, измерителей КСВ для данного диапазона частот. Развязку входов поверяемых фазометров измеряют методом замещения на СВЧ по аттенюаторам или методом прямых измерений. Определение погрешности фазометров в рабочем диапазоне частот выполняют по результатам прямых измерений поверяемым фазометром известного фазового сдвига, воспроизводимого двухфазными измерительными генераторами или образцовыми фазовращателями.

Определение погрешности фазовращателей СВЧ в рабочем диапазоне частот выполняют по результатам сравнения показаний поверяемого и образцового фазовращателей с индикацией положения минимума поля в измерительной линии, включенной на входе последовательно соединенных фазовращателей, подключённых к нагрузке. Определение погрешностей фазовращателей на низких частотах проводят путем сравнения показаний параллельно включенных поверяемого и образцового фазовращателей с индикацией нулевого фазового сдвига между их выходами с помощью индикатора разности фаз (компенсационный метод).

При поверке двухфазных измерительных генераторов, кроме обычных поверочных операций должны быть определены погрешности воспроизведения фазового сдвига в рабочем диапазоне частот, уровни воспроизводимых сигналов и коэффициенты их гармоник, погрешности и нестабильность частот воспроизводимых сигналов. Соотношение пределов допускаемых погрешностей образцовых и поверяемых средств должно быть не более 1/3.

98