книги из ГПНТБ / Атамалян Э.Г. Методы и средства измерения электрических величин учеб. пособие

ционное напряжение подается непосредственно в канал вертикального

интервал определяется произведением фиксированной длительности Др на расстояние /v, занимаемое интервалом и отсчитанное по шкале эк­

рана трубки: /, = Д р/,. (6-25)

Если Д р — цифровое значение индекса длительности — выражено в микросекундах на сантиметр, а 1Х — в сантиметрах, то измеряемый временной интервал tx будет выражен в микросекундах. Измерение осуществляется при максимально возможном растяжении исследуемого импульса по рабочей части экрана (практически до 100%). Точность

измерения ± 5 % .

М е т о д к а л и б р о в а н н о й з ' а д е р ж к н . Измерение времен­ ного интервала данным методом осуществляют следующим образом: начало развертки плавным измене­ нием времени задержки последова­ тельно совмещается по экрану с началом и концом измеряемого вре- , меннбго интервала. Временной ин­ тервал определяется произведением

фиксированной длительности на разность показаний лимба. Этот ме­ тод осуществлен в специальных осциллографических измерителях типа И2-9А, обеспечивающих точность измерения ± 1 % при измерении временных параметров повторяющихся импульсов.

Электронносчетные измерители интервалов времени. В последнее время все большее развитие и распространение получают электрон­ носчетные измерители интервалов времени. При измерении интервалов времени этими приборами необходимо учесть, что измеряемый времен­ ной интервал может задаваться периодическими, непериодическими и однократными сигналами; импульсными сигналами, снимаемыми с вы­ ходов различных приборов; интервалом между двумя импульсами на неодинаковых для обоих импульсов уровнях амплитуд; интервалом между различными уровнями одного и того же импульса и т. д.

Следовательно, электронносчетные измерители интервалов времени имеют два входных формирующих устройства, одно из которых форми­ рует «стартовый», а другое — «столовый» импульсы, определяющие соответственно начало и конец измеряемого временного интервала. В формирующих устройствах предусмотрена специальная регулировка уровней формирования для возможности измерения временных интер­ валов на различных уровнях входных сигналов.

Метод последовательного счета. На рис. 6-11 дана структурная схема измерителя интервалов времени, построенного по методу после­ довательного счета. Импульсные сигналы, временной интервал между которыми измеряют, подают на формирующие устройства ФУ1 и ФУ2.

140

С выхода этих устройств на временной селектор поступают «стартовый»

и«стоповый» импульсы. В течение промежутка времени, определяемого «стартовым» й «стоповым» импульсами, через временной селектор ВС проходят импульсы от генератора образцовой частоты ГОЧ. Количе­ ство прошедших импульсов N определяется счетчиком импульсов СчЙ

иявляется цифровой формой представления измеряемого интервала tx:

где Т0 — длительность периода импульсов образцового генератора. Метод преобразования измеряемого интервала времени в ампли­

туду с последующим преобразованием в интервал времени:

tx -+U -+ТХ. (6-27)

Этот метод позволяет перейти от сложного измерения малого ин­ тервала к более простому измерению большого интервала: Тх = ktx, где k — коэффициент преобразования.

Рис. 6-12. Структурная схема измерителя интервалов времени с преобразованием масштаба времени

Структурная схема прибора с преобразованием масштаба времени приведена на рис. 6-12. «Стартовый» и «стоповый» импульсы, создавае­ мые формирующими устройствами ФУ1 и ФУ2, поступают на формиро­ ватель прямоугольных импульсов ФПИ (длительность сформирован­ ного прямоугольного импульса равна длительности измеряемого вре­ менного интервала /v). Сформированный импульс поступает на вход время-амплитудного преобразователя ВАП. Последний представляет собой генератор пилообразного напряжения, время нарастания кото­ рого определяется длительностью прямоугольного импульса, а следо­ вательно, и измеряемого временного интервала. Таким образом, про­ исходит преобразование времени в амплитуду. Следующий затем амплитудно-временной преобразователь АВП преобразует амплитуду в пропорциональное время. С выхода АВП импульс длительностью Тх = ktx поступает на временной селектор ВС, и счетчик импульсов СчИ подсчитывает количество импульсов генератора образцовой ча­ стоты ГОЧ за этот интервал времени. Измеряемый интервал времени

tx = {NTо)Ik.

Основными преимуществами электронносчетных измерителей интер­ валов времени является их точность, цифровой отсчет показаний, боль­ шая скорость измерений.

Технические данные измерителей частоты и интервалов времени приведены в табл. 6-1, 6-2.

141

Измерение длительности периодов

Измерение длительности импульсов и интервалов времени

времени в экспериментальной физике. Атомиздат, 1967.

Справочник по радиоэлектронике. Под ред. Куликовского А. А. Т. 2. «Энер­ гия», 1968=

Глава 7

ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА СДВИГА Ф А З

§ 7-1. Методы измерения

Ф = Фх- Ф з.

входным и выходным напряжениями любого четырехполюсника (уси­ лителя, фильтра, трансформатора, устройства автоматики и др.) в заданном диапазоне частот, а также определение зависимости изме­ нения фазы от частоты широко применяются в радиоэлектронике.

Методы измерения угла сдвига фаз зависят от диапазона частот, уровня, формы сигнала и требуемой точности измерения. На промыш­ ленной частоте измерение угла/сдвига фаз ср между напряжением U и током нагрузки I осуществляют косвенным методом с помощью трех приборов — вольтметра, амперметра и ваттметра; <р определяется так:

Точность этого метода невысока из-за методической погрешности, вызванной собственным потреблением энергии приборами.

На промышленной частоте и на частотах от нескольких десятков герц до 6—8 кГц при измерении угла сдвига фаз применяют также методы непосредственной оценки, используя логометрические фазо­ метры электродинамической и электромагнитной системы. Необходимо отметить, что использование последних рекомендуется при больших уровнях синусоидального сигнала и сопряжено с большим потребле­ нием энергии и невысокой точностью (5—10%).

Вшироком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых из­ мерениях применяют осциллографические методы, а при более точных измерениях — компенсационный метод с калиброванным фазовращате­ лем и электронным осциллографом в качестве индикатора равенства фаз.

Вдиапазоне частот от нескольких герц до десятков мегагерц при точных измерениях используют электронные и электронносчетные методы измерения сдвига фаз (их применение рекомендуется при раз­ личных формах и малых уровнях сигнала и сопряжено с малым по­ треблением энергии).

§7-2. Метод непосредственного измерения угла

сдвига фаз

Непосредственное измерение угла сдвига фаз осуществляют с по­ мощью электродинамических, ферродинамических и электромагнитных фазометров (как показывающих, так и самопишущих) с логометриче­ ским механизмом (см. § 2-2). Схема включения электродинамического

145

фазометра и соответствующая ей векторная диаграмма представлены соответственно на рис. 7-1, я, б.

Моменты Мвр и М пр, направленные навстречу друг другу, соответ­

Если I\ — (7/Zj и / 2 == U/г2, то положение подвижной части фазо­

К осциллографическим методам измерения угла сдвига фаз относят методы линейной развертки, эллипса и круговой развертки.

Метод линейной развертки. Этот метод позволяет наблюдать на экране двухлучевого или однолучевого осциллографа одновременно

напряжений). На экране (рис. 7-2) получатся штриховые изображения напряжений иг и ц2 (луч поочередно вычерчивает отдельные участки

Причинами погрешности измерений в данном случае являются смещение горизонтальной' оси; неточность измерения отрезков ab и ас; толщина светового луча.

.146

Метод эллипса. При подаче на вертикально и горизонтально от­

нальный 2Ц.,0, соответствует максимально­ му отклонению луча в горизонтальном направлении. Угол сдвига фаз

ность измерения методом эллипса составляет 5—10%. Причинами погрешности являются неточность определения длин отрезков; ширина

дуемыми напряжениями их и и2Величина вносимого сдвига фаз изменяется до тех пор, пока разность фаз между исследуемыми напря­ жениями не станет равна 0° или 180°. На экране вместо эллипса будет наблюдаться прямая, наклоненная вправо (сдвиг фаз равен ф) или влево от вертикальной оси (сдвиг фаз равен 180° — ф).

Угол сдвига фаз ф между напряжениями их и иг определяют по калиброванному фазовращателю КФ, роль индикатора равенства фаз ИРФ выполняет осциллограф. В качестве фазовращателя используют /?С-цепочки; мостовые схемы; трансформаторные схемы и др. Частотные -свойства фазовращателя определяют диапазон рабочих частот.

147

Компенсационный метод обеспечивает высокую точность измерения (0,1—0,5%), которая в основном зависит от градуировки шкалы фазо­ вращателя.

§ 7-4. Метод преобразования угла сдвига фаз между двумя синусоидальными напряжениями в интервал времени между импульсами

Метод преобразования угла сдвига фаз между двумя синусоидаль­ ными напряжениями в интервал времени между импульсами положен в основу работы двухканальных электронных фазометров с синхрони­ зированными _мультивибраторами (рис. 7-5). Исследуемые входные синусоидальные сигналы одной и той же частоты подают на оба входа прибора: их — на вход опорного канала; и2 — на вход сигнального канала.

В обоих каналах (рис. 7-6, а) они усили­ ваются и преобразуются усилителямиограничителями УО в симметричные сигналы прямоугольной формы с круты­ ми фронтами (рис. 7-6, б).

Синхронизированные мультивибра­ торы СМ (см. рис. 7-5) формируют пе-

ной крутизной, которые затем поступают в специальную дифферен­ цирующую и распределительную цепь ДРЦ, на выходе которой полу­ чаются остроконечные импульсы одинаковой формы и длительности. Остроконечные импульсы управляют работой выходных мультивибра­ торов ВМ и определяют длительность выходных импульсов. Мульти­ вибратор первого канала управляется положительным продифферен­ цированным импульсом (соответствующим положительному фронту прямоугольного напряжения) первого канала и отрицательным про­ дифференцированным импульсом (соответствующим спаду прямоуголь­

148

ного напряжения) второго канала. Мультивибратор же второго канала управляется продифференцированным положительным импульсом второго канала и отрицательным импульсом первого канала (рис. 7-6, в). Сигналы с выходных мультивибраторов представлены на рис. 7-6, г. Измеритель магнитоэлектрической системы с добавочными сопротивле­ ниями включен по схеме вычитания токов и его показания пропорцио­ нальны среднему значению разности токов (рис. 7-6, д) в анодах вы­ ходных мультивибраторов:

Используя известные выражения ф = шДТ и со = 2я/Т, получим формулу, связывающую сдвиг фаз ф с относительным временным' интервалом АТ/Т:

Фазовый сдвиг ф пропорционален интервалу времени АТ между импульсами. После подстановки в (7-10) значения АТ/Т из (7-9) получим

Шкала прибора отградуирована непосредственно в электрических градусах и не зависит от частоты и уровней входных напряжений.

Особенностью данной схемы является независимость выходного тока от ухода нулевой линии напряжений в усилителях-ограничителях. Уход нулевой линии, вызванный несимметрией ограничения положи­ тельной и отрицательной частей синусоиды питающего напряжения, старением ламп и другими причинами, вызывает в свою очередь сме­ щение во времени дифференцированных импульсов на входе мульти­ вибраторов (среднее значение разности токов, а следовательно, и показание измерителя при этом не изменяется), но не вносит погреш­ ности измерения, а только сужает пределы измеряемых фазовых сдви­ гов. Чтобы избежать последнего, в усилителях-ограничителях преду­ смотрена стабилизация нулевой линии сигнала. Погрешность измере­ ния фазы для области диапазона средних частот определяется в этой схеме только степенью стабильности токов выходных мультивибраторов

иточностью самого измерительного прибора.

§7-5. Цифровые фазометры

Электронносчетный цифровой фазометр построен на принципе измерения интервала времени АТ, соответствующего углу сдвига фаз ф между исследуемыми напряжениями иг и и2 (рис. 7-7), методом дискретного счета.

На два раздельных входа цифрового фазометра подают напряже­ ния иг и и2 (рис. 7-8, а). Каждое из этих напряжений преобразуется в формирователе импульсов ФИ в последовательность импульсов, при­ вязанную к определенной фазе входного напряжения (рис. 7-8, б). В результате импульсы одной последовательности оказываются сдви­ нутыми относительно импульсов другой последовательности на вре-

149